真实感材质外观的表示和高效渲染技术研究现状及展望

在虚拟场景的组成中,除了三维几何模型之外最重要的要素就是物体表面的材质外观,对材质进行基于物理的建模和真实感绘制是保证虚拟场景真实感的重要手段.然而,由于现实世界材质外观本身的多样性和复杂性,迄今为止对真实感材质的研究一直是计算机图形学领域的热点和难点.文中总结了材质外观的近期相关工作,从材质的表示建模和材质的真实感绘制2大方向展开讨论;进一步,将材质模型分为表达范围广的通用材质模型和针对毛发及布料等材质的特殊材质模型2大类;并将材质绘制方法分为用于离线渲染的点采样优化和用于实时渲染的材质预过滤2种;最后指出材质研究可能的3个发展方向:神经网络材质、波动光学材质和材质的统一标准,为未来该领域的研究提供思路.

面向游戏与动漫的黑白漫画风格非真实感实时渲染方法

针对一般黑白漫画风格的非真实感渲染方法资源开销高和实时性差的问题,提出一种面向游戏与动漫的黑白漫画风格非真实感实时渲染方法。设计特化光照模型,通过分析光照模型效果,设计主体突出的环境光项和灰度分级的漫反射项,合并光照模型各项,实现基于特化光照模型的场景预处理;提出屏幕空间三相边缘检测方法,将预处理得到的场景光照结果依次进行深度边缘检测、法线边缘检测、颜色边缘检测,合并边缘检测结果;对场景光照结果进行屏幕空间分区域渲染,依据光照结果灰度值大小,分别采用网点着色和线条着色方式处理,并采用插值方法处理着色交界;合并结果,依据光照模型结果灰度值设计分段函数,合并屏幕空间三相边缘检测结果与屏幕空间分区域渲染结果,得到最终渲染结果。实验表明,该方法能够以较低的资源开销和较快的渲染速度实现黑白漫画风格非真实感渲染,在有限的资源下提高渲染的效果,具有显著的黑白漫画风格。

计算机图像非真实感渲染研究综述

从计算机图像非真实感渲染技术的发展方面总结了非真实感渲染的发展历程,由上世纪90年代初期的基于笔画的渲染到现代的全局优化算法,计算机图形和图像处理技术的发展使得非真实感渲染算法可以处理更加复杂的图像,并且处理效果更好。同时分析了各种技术的优缺点以及各自的较好的适用情况及相关制约,最后总结了非真实感渲染所面临的挑战。

基于虚拟现实的虚拟仿真建模及渲染技术

虚拟现实技术能够创造出逼真的虚拟环境,为能够更加快速地建立模型,该文结合相关工具和Unity3D平台开发仿真建模及渲染技术。通过工具收集真实地形的数据,然后进行相关的数据处理并生成数据集合。通过使用Unity3D中地形工具进行数据读取和快速制作三维场景模型,为提高模型的渲染逼真度使用高清渲染管线对场景模型进行光照等渲染处理。通过对该技术的研究,该技术能够使三维场景的逼真度提高及渲染程度非常好,模型细节也能观察,同时该技术也能被运用到毁伤评估仿真、虚拟训练等方面。

大规模三维场景光线追踪渲染方法综述

光线追踪是目前最常用的真实感渲染算法,在三维动画、虚拟现实、数字孪生等领域发挥着巨大作用.随着人们对场景呈现精度和质量的要求不断增加,大规模场景光线追踪渲染方法受到了广泛关注.文中对大规模场景光线追踪的相关工作进行综述,并从多个角度对各类方法进行分析.首先从场景数据压缩和场景数据分解2个方面简述了大规模场景的数据组织方法;然后回顾了内外存调度光线追踪方法,并分析了LOD在该类方法中的应用;接着介绍了分布式光线追踪方法,并将其分为屏幕空间并行、数据并行和混合并行3类进行分析对比;最后,总结大规模场景光线追踪的研究进展,分析现有方法在数据存储、数据访问、渲染质量、渲染速度等方面的问题,并指出可能的未来研究方向,包括基于神经网络的场景数据压缩、实例化场景数据分解、计算热点预测、自适应分布式策略等.

神经渲染及其硬件加速综述

神经渲染是一种基于深度学习的新兴图像和视频生成方法,它将深度学习模型和计算机图形学的物理模型相结合,从而获得可控和逼真的场景表示和渲染,实现对诸如光照、相机参数、姿态等场景属性的控制.一方面,神经渲染既可以充分利用深度学习的优势,实现传统前向渲染流程的加速,也可以为影像的逆向渲染和3维场景重建等特定任务提供新的解决方案;另一方面设计适应神经渲染流水线的创新硬件结构,突破现有图形处理器的并行计算和功耗瓶颈,有望为虚拟现实和增强现实、影视创作和数字娱乐、人工智能和元宇宙等未来重点领域提供重要支撑.综述了神经渲染的技术内涵、主要挑战和研究进展,在此基础上分析了神经渲染流水线对硬件加速支持的共性需求和当前主流神经渲染硬件加速结构的特点,进而讨论了神经渲染处理器架构的设计挑战,最后展望了其未来的发展趋势.

注意力机制与神经渲染的多视图三维重建算法

针对多视图立体网络在弱纹理或非朗伯曲面等挑战性区域重建效果差的问题,首先提出一个基于3个并行扩展卷积和注意力机制的多尺度特征提取模块,在增加感受野的同时捕获特征之间的依赖关系以获取全局上下文信息,从而提升多视图立体网络在挑战性区域特征的表征能力以进行鲁棒的特征匹配。其次在代价体正则化3D CNN部分引入注意力机制,使网络注意于代价体中的重要区域以进行平滑处理。另外建立一个神经渲染网络,该网络利用渲染参考损失精确地解析辐射场景表达的几何外观信息,并引入深度一致性损失保持多视图立体网络与神经渲染网络之间的几何一致性,有效地缓解有噪声代价体对多视图立体网络的不利影响。该算法在室内DTU数据集中测试,点云重建的完整性和整体性指标分别为0.289和0.326,与基准方法CasMVSNet相比,分别提升24.9%和8.2%,即使在挑战性区域也得到高质量的重建效果;在室外Tanks and Temples中级数据集中,点云重建的平均F-score为60.31,与方法UCS-Net相比提升9.9%,体现出较强的泛化能力。

提高VRay渲染器渲染品质和速度的应用研究

VRay渲染器渲染的品质和速度由一些因素和参数设置确定的,选择不同的因素,确定不同的参数,可以得出不同的渲染效果。因此,分析影响渲染品质和速度的因素,合理、准确的选择参数显得尤其重要。阐述了VRay渲染器的优特点,分析了影响VRay渲染器渲染品质和速度的因素及参数,介绍了提高VRay渲染器渲染速度的方式,提出了提高测试渲染与最后渲染阶段品质和速度的参数设置,为VRay渲染器的使用提供参考。

VRay分布式渲染的实现

随着我国计算机产业的高速发展,三维动画因能给观众以身临其境的感受,被广泛应用于广告、医学、教育、军事、娱乐等诸多领域。三维动画的制作流程主要有:创意、制作故事板、建模、材质灯光、渲染输出、后期制作等。其中渲染输出环节对计算机硬件配置要求过高,一般使用价格昂贵的图形工作站。尤其是目前业界最受欢迎的是VRay渲染引擎,它能使材质获得更加准确的物理照明,反射和折射参数的调节更加方便,但是它对硬件要求更高。对于初学者、爱好者,很难达到要求的硬件渲染环境。通过使用分布式渲染的方法,把单帧图像的渲染分布到多台计算机上,以此提高渲染效率,完成三维动画的渲染输出。

钢琴表演艺术中的情感构建和艺术渲染研究

在璀璨的艺术殿堂中,钢琴表演艺术以其独特的魅力占据着举足轻重的地位。它不仅是音乐的载体,更是情感的传递者,艺术家们通过指尖的跳跃,将内心的情感投射到每一个音符之中,与听众建立起跨越时空的深刻联系。因此,对钢琴表演艺术中的情感构建和艺术渲染的研究,不仅是对音乐理论的深化,更是对人性、情感与艺术的探索。

论卡通渲染技术在动画创作中的艺术特征与表达

目的:在数字化时代创新融合的背景下,越来越多的创作团队或动画公司开始将技术与艺术进一步结合,尝试利用卡通渲染技术将二维与三维融合,进行风格化的动画创作,在动画、游戏等领域产出了别具一格的作品,形成了独特的艺术画面效果,比较具有代表性的有《英雄联盟:双城之战》《蜘蛛侠:平行宇宙》等。文章通过对比三维动画与传统二维动画,从审美的角度分析卡通渲染技术的优势,从而达到理论研究的目的。方法:文章首先简要阐述动画相关的概念以及分类,随后从卡通渲染技术的概念与特征出发,运用对比分析法、文献归纳法以及案例分析法,对比运用了卡通渲染技术的三维动画与运用传统制作方式的二维动画,通过文献归纳总结,发现利用卡通渲染技术制作的动画具有更丰富的视觉表现力,兼具二维画面效果的同时拥有三维画面的立体感,具有镜头语言和动画风格多元化等优势,并依托相关案例进行分析论证。同时指出卡通渲染技术受限于计算机逻辑算法的本质,对动画动态以及动作的表现力不足,以及二维与三维动画因构建方式不同而产生的差异性和画面表达效果的差异。结果:卡通渲染技术能创新性融合二维与三维动画的优势,压缩制作流程,节约制作时间和成本,但是制作出来的动画并不能与传统二维动画等同,仍有许多未解决的缺陷。结论:利用计算机技术解决动画创作中的问题,是数字化时代创新融合背景下动画创作者必须面对的议题之一。文章分析卡通渲染技术在动画创作中应用的利弊,为动画创作者提供制作动画的理论依据,具有一定的理论与实践意义。

三维声双耳渲染感知效果的客观评测

随着双耳渲染技术在终端中的逐步应用,双耳渲染效果的主客观评价需求在不断增长。本文在已有三维声双耳渲染感知效果评价的二级维度(音质、定位、空间)基础上,进行更全面、细致的三级维度客观评测与建模,将通过主观感知实验得到的各三级维度评分结果与标准人工头双耳录音的不同类型客观特征进行岭回归建模。结果表明:浑厚度、总体音质、声源距离、静态声源定位、空间感、混响声质量和空间自然度等三级维度的评价更取决于双耳空间特征;清晰度与时频特征的关联性更强;其余特征更依赖时频特征与双耳空间特征的组合。

视觉驱动梯度域滤波重构的自适应渲染算法

蒙特卡罗路径追踪渲染算法结果图像往往受噪声影响,现有去噪算法效率较低且容易丢失图像细节.因此,本文提出一种视觉驱动梯度域滤波重构的自适应渲染算法.首先在预渲染阶段获取特征图像同时通过引导滤波器对特征图像进行预滤波;然后通过图像视觉显著性划分区域进行滤波重构,在显著区域利用融合图像梯度信息的双边滤波器进行平滑去噪,非显著区域利用均值滤波器进行快速去噪;最后利用SURE(Stein′s Unbiased Risk Estimator)计算像素颜色估计量的均方误差引导自适应采样.实验结果表明,与同类算法相比,本文算法可以在更短时间内渲染出具有更优质视觉效果的图像,本文算法的结构相似性(SSIM)和峰值信噪比(PSNR)均有显著提高,运行时间平均降低8.6%以上.

基于分布式渲染架构的远程可视化研究

互联网带宽的增长催生了远程可视化,它有着更好的分享性、移动性和方便性.针对大规模数据的远程可视化问题,提出了一种基于Sort-Last的分布式渲染架构,给出了基于GPU的融合、抗锯齿等算法.该架构用于远程可视化的服务器端,包括渲染节点、融合节点和任务节点等3层结构,具有良好的可扩展性.基于此,实现了一个远程可视化系统Waterman,提供基于Internet的高精地形渲染和海洋排放口污水扩散可视化服务,并给出了详细的设计方法和技术细节,包括基于Raycasting的地形渲染算法、基于陆地掩蔽(mask)方法的海面渲染技术和基于图片、网格模型的客户端混合实现技术等.最后对该架构和系统进行了性能测试和分析.提出的方法实用、鲁棒、扩展性好,可为同类系统设计提供很好的参考.

基于神经渲染的数字孪生资产快速场景几何建模与检索方法

虚实融合是数字孪生技术的典型特征,数字孪生的虚拟场景大多通过几何建模技术来实现。为解决场景几何建模的自动化程度较低。过于依赖人工,导致成本高昂且效率低下的问题,提出一种数字孪生几何场景构建方法。引入神经渲染技术采集物理实体的点云数据,然后设计一种基于深度学习的点云模型与3DCAD模型语义映射的方法,用于基于数字孪生几何模型资产库的3DCAD模型检索。最后建立训练数据集并构建数字孪生几何模型资产库进行实验验证。通过对比实验和退役电池拆解案例验证:与其他的数字孪生场景几何建模方法相比,该方法具有更低的成本和更高的效率。

协同渲染技术初探

随着虚拟现实技术的发展,对虚拟环境沉浸感的要求越来越高,各种高沉浸感的虚拟现实系统(如CAVE系统、投影阵列)相继出现,此时对单个场景的渲染已经不能满足这些系统的需要。为了同时对多个场景进行渲染,并满足相互之间的约束关系,引入了协同的思想,提出了协同渲染这一新的概念。对协同渲染的概念和特征进行了初步定义和探索,对渲染任务的划分和分配、协同渲染中的约束关系进行了研究,最后以构建的协同渲染平台在MOVE系统中的应用为例,验证了协同渲染思想的合理性和正确性。

大规模开放遥感影像地图渲染与缓存优化

遥感数据规模庞大且增长迅速,目前可公开访问的遥感影像数据已接近EB级别,然而类型多样、结构复杂、存储文件大等特点给大规模开放遥感数据的发现、共享与使用带来诸多不便。在线地图可使用户无须下载便可对海量云端遥感数据执行可视化分析,是一种高效的数据服务方式。针对传统地图技术方案存在的瓦片渲染效率低、遥感数据适配性差等问题,从遥感数据时空属性特征及用户访问行为特征出发,依托遥感数据云平台GSCloud,设计并实现面向海量遥感数据的高效地图服务平台TiMap。TiMap由分布式地图瓦片渲染引擎TiRender与分布式地图瓦片缓存TiCache构成。TiRender通过将地图瓦片渲染操作转换为分布式环境下的同步实时渲染任务与异步批量预渲染任务,充分利用多节点并行计算的优势,快速响应客户端的地图瓦片请求。TiCache负责缓存TiRender产生的地图瓦片,以提升后续重复地图瓦片请求的响应速度,TiCache中的地图瓦片缓存分配算法基于疏远度实现,可以保证多节点的负载均衡。实验结果表明,TiRender与TiCache均比同类技术方案的性能更好,两者协同工作可使TiMap在100ms内快速响应大规模地图瓦片请求。

提高扫描线渲染器渲染速度方法的研究

本文首先介绍3DS MAX的渲染概念及渲染工具,再讨论3DS MAX默认扫描线渲染器的"通用参数"、"当前渲染器"、"高级照明"等选项卡,详细研究了"高级照明"、"阴影"、"运动模糊"、"光线/采样"等对渲染速度有较大影响的参数,并给出设置方法,从而得到提高渲染速度的目的。

点渲染方式对量化点云主观质量的影响及算法优化

为探究点渲染方式对量化点云主观质量的影响并优化渲染算法,设计了不同基础几何体类型和渲染半径计算方式的点云主观质量评价实验。通过威尔科克森符号秩检验和双独立样本T检验,分析了基础几何体类型和最近邻渲染算法对几何和属性量化失真点云主观质量的影响。实验结果表明:基础几何体类型由于混叠程度不同而对主观质量影响不同,基础几何体混叠面积越大则主观质量越低;最近邻渲染算法对主观质量影响不显著,该算法减少了点云渲染后空洞的产生,却增大了混叠程度。在属性失真较小时,最近邻渲染算法效果优于渲染半径固定算法;在属性失真较大时,则劣于渲染半径固定的算法。结合主观实验结果,建立了混叠、空洞失真和基础几何体渲染半径的数学模型,在几何量化采用八叉树剪枝的基础上,通过空间相似性对模型参数进行简化并求解,提出一种利用几何量化参数计算基础几何体渲染半径的算法。与最近邻渲染算法相比,所提算法节省了52%的时间复杂度,渲染点云峰值信噪比提升了12.3%,主观质量分数提升了0.5。研究减少了计算资源,提高了渲染效率,可为渲染器的设计和优化提供参考。

特殊服装面料渲染算法

服装数字化是近年来服装行业发展的方向之一.服装面料的材质极其多样,然而常用的基于物理的渲染存在较大的局限性.基于此,提出对于多种不同特殊光学特性的面料渲染算法.其中,特殊面料是内嵌金属丝面料、侧光织物面料、镭射面料和闪粉面料4种面料.针对内嵌金属丝面料,使用额外的纹理数据来记录并模拟金属丝的形状;针对侧光织物面料,根据视线方向以及入射方向与法线的夹角修正散射光的强度,使得面料拥有更加真实的侧面光感;针对镭射面料,将观察角与一种额外的镭射颜色相关联,并将其与原有的纹理颜色融合;针对闪粉面料,提出一种计算模型用于随机生成闪粉的位置,通过网格划分的方式达到实时的计算效率.将所提算法渲染结果与实际拍摄结果进行对比的结果表明,该算法的结果接近于真实;侧光织物面料和镭射面料已经被商业应用于国产三维服装设计软件Style3D中.