文摘
光学参数的材料用于实现电影渲染领域的图形。关键元素提取这些光学特征参数提取的准确性和提取所需的时间。在这篇文章中,一个新颖的方法改善这些元素以及与现有的方法。通过使用分光光度计和定制设计的光学成像设备(OIE),我们的方法能提高准确性和加快计算速度,减少的数量未知的拟合方程。此外,我们验证了光学特征参数提取的优越性与渲染模拟。
1。介绍
光学参数,包括吸收和散射系数降低,起到了关键的作用在许多诊断和治疗光学技术(1,2]。最近,一个方法为实际物理均匀材料的繁殖和设计理想的地下散射。色素浓度最好复制目标材料的外观和地下散射必须确定实现繁殖和设计目标3]。准确地传达光学材料属性合成人工对象时是一个关键的任务。例如,我们必须考虑光学参数在呈现半透明的材料,如肥皂、皮肤,和石头。此外,材料的光学参数用于实现电影渲染领域的图形(4- - - - - -7]。对象和它们之间的相互反射环境和地下散射通过材料必须被视为创造逼真的视觉效果(8]。要做到这一点,前提是提取代表精确的光学特性的光学参数。这个过程需要快。组合模型的扩散相互反射和各向同性地下散射提出了(9]。材料的最终外观是由我们的眼睛捕捉到的光量后进入材料,光散射或吸收材料。因此,我们需要寻求一个精确的过程测量观测到的光量。
一些重要的未知变量的地下散射双向反射分布函数(BSSRDF)折射率,反照率降低,吸收系数和散射系数降低。关键是能够获得的反射率分布反射的光渗透以来使用光学设备不是可以衡量的一些材料。通过拟合测量获得的样本数据从一个基于图像的测量系统,李等人提出了一个方法来确定减少散射系数和吸收系数(10]。然而,在他们的方法需要求解两个未知变量。
其他新的基于图像的测量技术提出了折射率和减少反照率估计(11,12]。这两个未知变量(吸收和散射系数降低)必须使用蒙特卡罗数值方法解决。然而,这个函数需要一个合适的时间长。此外,它不知道是否物理测量折射率的方法。
因此,我们需要一个有效的方法,也输出高质量的结果使用光学参数和折射率。
在本文中,我们提出一个方法,提取所需的光学参数和更少的时间比现有的方法通过移除一个未知变量,提高相应的精度同时得到折射率。
为此,我们使用分光光度计和光学成像设备(OIE)作者设计和制造的。首先,BSSRDF被优化的参数拟合为了从一个高动态范围图像中提取光学参数(HDRI)收购了世界动物卫生组织,从而改善接头性能通过测量减少反照率直接与分光光度计。我们进行了实验共有32个不同材料与不同的光学特性。此外,为了验证测量的可靠性参数,我们比较了使用测量光学系数呈现结果。我们也验证了我们提出的光学参数提取方法使用渲染的结果在两个不同的方程。简而言之,我们表明,我们的渲染结果和均方误差(MSE)优于现有方法。
本文的其余部分组织如下。节2、相关工作进行了讨论。节3,我们将解释所使用的测量设备。比较呈现结果显示为了验证提取的参数部分4。我们使用两个比较呈现方法。最后,结论部分5。
2。相关的工作
讨论的光学特征包括吸收系数,减少散射系数和折射率。这些参数用于确定材料的反射系数和渗透率随着入射光的地下散射分布(9]。
一般的光学特性的测量过程如下:一束激光是正常事件(垂直的)材料,,然后,充满光的渗透率分布决定使用数值分析的结果或一个分析模型13,14]。
一种新颖的高速采集的方法提出了双向反射分布函数(双向)。在这部作品的作者地址直接测量的一种新理论双向表示将入射光的基础,也就是说,一个基函数序列的球形区方向。在球形区推导的一组标准正交基,他们获得一个适合这个任务的过程。reprojecting带状测量到球函数基础数据或通过拟合分析反射模型,推导出双向反射值(15]。
提取皮肤反射参数,使用定制的设备。三维几何,皮肤反射,地下散射测量149例。参与者从这些参数测量不同年龄、性别和种族。作者在这部作品展示小说皮肤反射模型的参数估计的测量。模型是由测量皮肤数据放到一个空间变化分析双向反射,散射反照率图,扩散地下散射(16]。
一个稳态成像技术使用非正常入射光来确定各向异性参数。使它工作,作者执行一个恰当的蒙特卡罗模拟来获得高动态范围的图像强度的样品(12]。
然而,由于渗透光不能使用一些材料,有方法,测量的反射率分布反射光使用光学成像设备。这些方法确定反射系数的拟合测量反射率分布BSSRDF,渲染模型,考虑光学特性(10]。
3所示。光学参数
3.1。测量设备
在本节中,我们解释这项工作中使用的测量设备。有两块设备,包括分光光度计(cm - 600 d,柯尼卡美能达)和光学成像设备(OIE),用于使HDRI。
折射率和反照率降低使用分光光度计测定。图1(一)显示了分光光度计的使用,和图1 (b)说明了光谱反射率图通过分光光度计。本设备措施两种类型的反射波长间隔10纳米。镜面组件包括(SCI)措施包括镜面反射分量,和高光部分排除在外(SCE)措施排除了镜面的反射组件。
(一)
(b)
散射反射率分布可以获得与世界动物卫生组织拍照。图2显示了世界动物卫生组织获得的数据由作者设计和规范。这个设备使用镜头集中各种光源点直径小于1毫米的材料。此外,聚焦光点在HDR CMOS相机拍摄的。HDR控制拍摄的相机拍出来的光线,从而捕捉图像。可以通过控制相机的ISO值,光圈或快门速度。然而,如果ISO值增加,相机的光学灵敏度和感光性增加。因此,它是可能的明亮的照片在一个低光圈和快门速度低,好像他们是在大量的光。然而,会有相应的增加噪声的图片与ISO值。因此,它有利于设置低ISO值光学成像的特点。在这部作品中,ISO值和孔径是固定的,和HDR拍摄实施了多个图像在控制快门速度。
3.2。测量方法
在一个没有环境光的暗室进行测量。重点是通过控制镜头和光源的距离最小化焦点的直径取决于材料的厚度和形状。在拍摄期间,为了获得HDR图像,多个图像拍摄在相同条件下不同的暴露水平。LED灯作为光源,总共13 HDR图像被设置光圈8.0和考虑的ISO值400暴露水平。只改变快门速度从1/600到3秒。获得的图像与HDRI有16位每通道为每个RGB通道(17]。然后,根据照明特点,每个级别,根据RGB通道,调整。图3(一个)显示12 13 HDR图像,图像和图3 (b)显示了合并HDRI。
(一)
(b)
提取的过程中实现的光学特征参数本研究将简单地概述了。首先,折射率计算分光光度计。然后反照率降低值是使用蒙特卡罗数值方法派生。第三步就是HDRI合并使用世界动物卫生组织。的像素值合并HDRI散射反射率分布;它可以表示为根据距离从焦点像素。然而,由于像素,根据到焦点的距离,显示为一个同心圆圈像图中的红色圆圈3 (b),圆上的像素采样必须平均和转换成一个值。然后相关的反射率函数,作为拟合数据。此外,为了使用扩散近似拟合方程,拟合优化使用后执行。
下面是一个更详细的描述光学参数的推导过程。首先,我们推导出折射率的材料从SCI和SCE的基础上获得的反射的两个值使用分光光度计。高光强度垂直入射时可以计算两个值的差异和折射率可以通过应用这种Schilick的近似计算(18]。通过Schilick的近似,高光强度根据垂直入射的折射率,由于空气的折射率,折射率之间的空气和材料可以计算。其次,为了获得反照率降低材料的颜色使用分光光度计测量,可以改变RGB。RGB是一样的双向反射近似的价值,可以表达的11] 在哪里和。如果折射率上面得到应用,它可以概括为一个未知,反照率降低。这个值可以提取反向使用蒙特卡罗方法。
第三,派生通过应用拟合方程的HDRI获得世界动物卫生组织和合并。使用合适的算法是Levenberg-Marquardt算法(LMA),一个模型用于解决非线性最小二乘法问题[19]。拟合方法用于最小化函数值之和的多个数据点之间的误差。为了最小化函数之和的多个测量数据点之间的误差,使用非线性最小二乘法作为一个算法,发现当地最低的解决方案通过不断提高函数的参数值。
为了减少装配时间,提高准确性,简化的函数吗所表达的 在这里,我们使用上面的值计算。
然后我们代替右手术语(2),在BSSRDF方程。因此,可以总结出只有BSSRDF方程通过替代和优化值计算以上;这是用于合并后的HDRI配件,和的值计算了。拟合构成了反射率分布距离比率。当使用优化的配件是由公式Levenberg-Marquardt算法(LMA)最优值恢复。图4显示了粉色塑料的拟合过程。图中的三个频道是红色,绿色,蓝色和黑色虚线表示样本光谱。蓝线与变量相关联。反向计算通过使用(2),用随后获得和价值,这是上面了。通过实验,我们确定最优收敛于300像素的像素距离;因此,没有反射后出现。
共有32个样本测试与世界动物卫生组织和分光光度计使用在这项研究中提出的方法。提取的参数,,。表1礼物7的结果之间的32个样本,如岩石,塑料和木材的材料。拟合过程所花费的时间平均为0.2738秒,这是所要求的速度大大快于现有的方法(11,12]。
4所示。呈现方程和验证
4.1。地下颜色的方法
随模型用于进入光学参数,下面的大小确定材料的最终颜色(20.]。在这个模型中,透射光的数量被定义为(3),认为深度参数: 在哪里是落后的阶段功能的集成,是深度,是底部的菲涅耳反射扩散边界9]。
总漫反射率定义在 在哪里代表了分散顶部边界和菲涅耳反射是底部的菲涅耳反射扩散边界。最后,呈现所需的像素值相乘计算光强度,这是计算使用以下方程和颜色模型的结果: 在哪里反射光的强度和吗(扩散系数),(镜面反射系数),(半透明的系数)可以优化使用一个实验。,,地下漫射光系数,根据不同对象的中心,距离光源吗,对象的大小。代表了光强度,而是法向量之间的夹角,光矢量。,地面坡度的标准差在吗,的方向,法向量之间的夹角吗和半向量。一半的方位角是矢量,它预计表面接触。
4.2。纹理空间方法
首先将集成三维模型表面转化为一个集成在一个2 d纹理空间,地下散射的方法获得结果。辐照度值存储在纹理用于制造一个可行的实现(7]。
的方法是由一个预先计算的过程,一个三级基于GPU的半透明的呈现过程,包括渲染纹理贴图的辐照度,进行临界采样,并评估即将离任的光辉。
最终结果为计算传出的光辉 在扩散函数和菲涅耳透光率含有三角函数的计算,平方根,和指数函数复杂的指令。
4.3。验证的呈现
来验证我们的方法,我们只进行了两个实验,实现了光学成像设备(11,12),该模拟方法。呈现方程中定义部分4所示。1和4所示。2被用来创建反射的材料。
OpenGL被用来验证提取的参数使用着色器代码实现。雅典娜的雕像是用于呈现;这是一个模型作为免费提供(http://graphics.im.ntu.edu.tw/罗宾/课程/ cg03 /模型/)。
我们展示的渲染结果地下颜色在图的方法5(a1)和纹理空间方法与现有的方法,一个粉红色的塑料在图5(a3)。图5(a2)显示地下颜色的渲染结果和图方法5(a4)显示纹理空间方法和该方法的粉红色的塑料。同样,图5(b1)显示的渲染结果地下颜色和图方法5(b3)显示纹理空间方法与现有的方法一个蓝色的涂料。图5(b2)的渲染结果地下颜色和图方法5(b4)是纹理空间方法与蓝色涂层的方法。数据5(c1)和5(c3)的渲染结果地下颜色方法和纹理空间方法与现有的方法,分别对棕色皮革。图5(c2)显示了地下的渲染结果颜色和图方法5(c4)方法和该方法的纹理空间。
(一)
(b)
(c)
在数据5(a1)和5(a3)和有以下值:R(2.152, 1.152平台以及),G:(1.522, 0.4515),和B: (1.864, 0.007945)。在数据5(b1)和5(b3),相应的值R: (1.128, 2.118), G:(1.484, 1.857),和B: (1.923, 0.2809)。在数据5(c1)和5(c3),相应的值R: (1.624, 1.841), G:(1.222, 2.529),和B: (0.9038, 2.754)。数据5(a2),5(a4),5(b2),5(b4),5(c2)5(c4)考虑参数表1。最终渲染结果应用到灰色的基调,仅适用于通过改变参数的模式,不包括纹理的颜色信息。因此,当呈现结果使用肉眼相比,如图5,最终呈现的颜色情况下光学特征提取在(a2),使用该方法(b2), (c2), (a4), (b4)和(c4)相对接近的对象的颜色比只使用的光学成像设备(a1), (b1), (c1), (a3), (b3)和(c3)。
4.4。通过分析数据验证
我们进行比较三组的反射率数据。第一个反射数据集从抽样数据获得被称为HDRI,用行空白圈如图6。方法获取HDRI节来解释3所示。2。第二个反射数据集,用空白的方格图所示6数据对应,5(a1),5(a3),5(b1),5(b3),5(c1)5(c3)和使用以前现有方法计算了两个未知变量和解释部分的渲染方法3所示。1和3所示。2。最后一个数据集,用线条图6数据对应,5(a2),5(a4),5(b2),5(b4),5(c2)5(c4),我们建议的方法只有一个未知变量和相同的渲染方法被利用。然后我们绘制反射随着距离的增加,如图6。纵轴代表反射而水平代表的距离。
(一)粉色塑料
(b)蓝色涂层
(c)棕色皮革
此外,均方误差(MSE)之间的数据直接从HDRI采样和两个呈现数据(从现有和拟议的方法)进行了计算,分析了实验的呈现结果。表2包含了均方误差值。简而言之,我们观察到该方法的均方误差值显示更好的结果比现有的方法(11,12]。
5。结论
提出了一种提取光学参数的方法,包括减少地下散射、吸收和折射指数。这个新方法减少了所需的计算时间的现有方法通过移除一个未知变量的同时加强相应的精度。同时,我们可以获得的折射率可以从光反射分光光度计测量。验证该方法,我们进行了实验,结果呈现通过使用在两个呈现光学参数方程。我们发现渲染结果和MSE优于现有方法。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
承认
这项研究部分由韩国政府(CiMR:基于实物的电影材料呈现技术优化了游戏,没有。10043453)。