（计算机科学与技术专业论文）基于gpu的非真实感体绘制算法研究.pdf

硕f j 学位论史 摘要 非真实感绘制( n p r ) 指的是利用计算机生成不具有照片般真实感，而具有艺 术创作风格的图形绘制技术；而基于g p u 的体绘制是利用现代可编程图形硬件的 并行处理机制完成体绘制过程的技术。本文围绕非真实感技术和基于g p u 的体绘 制技术进行研究，重点研究针对三维数据场的轮廓提取与增强的实时非真实感体 绘制方法。主要工作和研究成果包括三个方面：分析并确定了非真实感体绘制应 用于g p u 可编程流水线的技术框架；改进了一种基于2 6 邻域的梯度估计算法； 根据改进的2 6 邻域算法与最大密度投影技术( m i p ) 设计并实现了种基于g p u 的 体轮廓快速提取算法。 首先，对非真实感技术的特点、分类及主要技术进行研究。根据现代可编程 图形硬件( g p u ) 的体系结构，讨论g p u 的可编程机制；然后对基于g p u 的体绘 制算法及非真实感体绘制算法的研究成果进行分析，确定了将非真实感体绘制应 用于g p u 的并行流水线的方法。 其次，对传统基于图像空间的梯度估计算法的优劣进行分析，根据轮廓线上 的体素具有较高的梯度值这一特征，引入并改进一种基于2 6 邻域信息的梯度估计 算法，通过构造一个基于体数据值的四维线性回归方程，利用方差估计得到体数 据的近似梯度值，最后根据该值检测体数据的轮廓。通过实验分析，该算法能够 有效减少图像伪影，提高轮廓的连续性。 最后，提出一种基于g p u 的体轮廓快速提取算法，采用改进的2 6 邻域梯度 估计算法检测体数据轮廓线，引入一种窗口函数过滤梯度信号，利用最大密度投 影技术与g p u 可编程流水线实现了轮廓提取和增强轮廓的非真实感效果。实验证 明，该算法能够较好地提取体数据的轮廓，可以达到交互的绘制速度。 关键词：非真实感；轮廓检测；梯度估计；体绘制；最大密度投影；g p u a bs t r a c t n o n p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g ( n p r ) i sac o m p u t e rg r a p h i c sr e n d e r i n gt e c h n i q u e t h a tg e n e r a t e sn o tr e a l i s t i cb u ta r t i s t i cc r e a t i o ns t y l ep i c t u r e s ；a n dg p u b a s e dv o l u m e r e n d e r i n gi sa n o t h e rt e c h n i q u et h a ti m p l e m e n t sv o l u m er e n d e r i n gu s i n gp a r a l l e l p r o c e s s i n gm e c h a n i s mo fm o d e mp r o g r a m m a b l eg r a p h i c sh a r d w a r e t h i st h e s i s s t u d i e sn p r ，g p u - b a s e dv o l u m er e n d e r i n gt e c h n i q u e sa n df o c u so nt h ec o n t o u r e x t r a c t i o na n de n h a n c e m e n tm e t h o d so fn o n p h o t o r e a l i s t i cv o l u m e r e n d e r i n g ( n p v r ) t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i sc a nb eo u t l i n e da s f o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ：t h e t e c h n o l o g yf r a m e w o r ko fn p v ra p p l i e di np r o g r a m m a b l eg p up i p e l i n ei sa n a l y z e d a n di d e n t i f i e d ；a n i m p r o v e d2 6 n e i g h b o r h o o dg r a d i e n te s t i m a t i o n a l g o r i t h m i s p r o p o s e d ；ag p u - b a s e df a s tv o l u m ec o n t o u r se x t r a c t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e du s i n gt h ei m p r o v e d2 6 一n e i g h b o r h o o da l g o r i t h ma n dm a x i m u mi n t e n s i t y p r o j e c t i o n ( m i p ) t e c h n o l o g y f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，c l a s s i f i c a t i o na n dc r i t i c a lm e t h o d so fn p ra r es t u d i e d t h ep r o g r a m m i n gm e c h a n i s mo fg p ui sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ea r c h i t e c t u r eo f m o d e mp r o g r a m m a b l eg r a p h i c sh a r d w a r e a f t e ra n a l y s i s o fg p u b a s e dv o l u m e r e n d e r i n ga n dn p v r ，as c h e m et oi m p l e m e n tn p ru s i n gt h ep a r a l l e lp i p e l i n eo fg p u i si d e n t i f i e d s e c o n d l y , a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a li m a g e b a s e dg r a d i e n t e s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r e a n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h eh i g hg r a d i e n tv a l u e so fv o x e l so n c o n t o u rl i n e s ，a2 6 n e i g h b o r h o o d g r a d i e n te s t i m a t i o na l g o r i t h mi s e m p l o y e da n d i m p r o v e d t h i sa l g o r i t h mc o n s t r u c t sa4 dl i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o na n de s t i m a t e s g r a d i e n tv a l u eo fv o x e l sb ys q u a r ee r r o rc a l c u l a t i o n t h e n ，c o n t o u r so fv o l u m ed a t a c o u l db ee x t r a c t e db a s e do nt h e s ev a l u e s i m a g ea r t if a c t sa r ee f f i c i e n t l yr e d u c e da n d t h ec o n t i n u i t yo fc o n t o u r si se n h a n c e di ne x p e r i m e n t s a tl a s t ，ag p u _ b a s e df a s tv o l u m ec o n t o u r se x t r a c t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e d ，i n w h i c ht h ei m p r o v e d2 6 一n e i g h b o r h o o da l g o r i t h mi su s e dt o d e t e c tc o n t o u rl i n e so f v o l u m ed a t a ，aw i n d o wf u n c t i o ni s e m p l o y e dt of i l t e rg r a d i e n ts i g n a l s ，c o n t o u r e x t r a c t i o na n de n h a n c e m e n ti sa c h i e v e db yc o m b i n i n gm a x i m u m i n t e n s i t yp r o j e c t i o n ( m i p ) t e c h n i q u ea n dg p up r o g r a m m a b l e p i p e l i n e h i g hq u a l i t yi m a g e s a n d i n t e r a c t i v er e n d e r i n gs p e e da r es h o w ni ne x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：n o n - p h o t o r e a l i s t i c ；c o n t o u rd e t e c t i o n ；g r a d i e n te s t i m a t i o n ；v o l u m e r e n d e r i n g ；m i p ；g p u 硕l j 学位论文 插图索引 图2 1 非真实感绘制研究领域组成5 图2 2 非真实感绘制的发展过程6 图2 3 计算机模拟素描的效果1 0 图2 4 采用p h o n e 光照模型与n p r 光照模型绘制的图像。1 3 图2 5 整体光照模型1 4 图2 6 利用深度图与法向图检测轮廓1 5 图2 7 正面与背面多边形构成的轮廓1 7 图2 8 使用直接检测算法提取卡通自行车模型的轮廓1 7 图2 9 使用随机检测算法提取兔子模型的轮廓1 8 图3 1 可编程图形硬件体系结构2 1 图3 2 具有顶点着色器与像素着色器的图形流水线2 2 图3 3 可编程图形流水线的编程模型2 3 图3 4 基于笔划纹理的h e a dc t 数据体绘制效果2 8 图3 5 基于点纹理的非真实感引擎模型2 9 图4 1 中心体素的2 6 邻域分布3 4 图4 2 中心差分算法和2 6 邻域算法进行梯度估计后的绘制效果3 7 图5 1 梯度窗口函数3 9 图5 2 算法流程图4 0 图5 3 坐标变换过程4 1 图5 4 模型坐标在世界坐标系中的变换过程4 2 图5 5 透视投影过程4 2 图5 6 空间坐标的建立4 3 图5 7h e a d 数据的m i p 绘制结果4 6 v i 基- t 二g p u 的1 r 真实感帙速体绘制算法研究 附表索引 表2 1 真实感绘制与非真实感绘制的对比8 表2 2 根据数据维度交互性进行的分类9 表5 1 基于g p u 的轮廓提取绘制性能表4 7 表5 2g p u 与传统绘制性能比较4 7 v l i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 乏蜂日期：w 矽年歹月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： e l 期：加。夕年 月j ，日 日期： 哆年6 月罗日二，、弓 屋彳彳，【物彳( 壶圣 硕i 。学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 图形一直是人类观察和认识事物最便捷的方式，计算机图形学自诞生起就一 直在计算机科学领域占据重要地位。而在计算机图形学发展的3 0 多年中，真实感 绘$ 1 j ( p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g ) 直处于主导地位。随着算法的不断改进和图形加 速硬件的发展，通过真实感绘制得到的图像不断逼近真实世界并趋于完美，甚至 已经“像照片一样真实 。在此过程中，研究者们发现，对于艺术、设计、动画制 作等领域而言，真实感图形绘制不能有效的抽象出用户所关心的几何形体特征； 不能定制用户所需要的显示要求；无法以有效和易于理解的方式向观察者表述复 杂的信息。然而很多时候人们却需要计算机生成一些不同于真实感的图形图像来 体现对事物的主观描述和感受，来满足这些领域的特殊需求，从而出现了非真实 感绘制的概念。 非真实感绘制指的是利用计算机生成不具有照片般真实感，而具有艺术创作 风格的图形绘制技术。其目标不在于图形的真实性，而主要在于通过对事物的抽 象或者某种形式的艺术处理来表现对象的艺术特质，模拟艺术作品；或者是突出 对象的局部细节以体现某方面特征，展示真实感图片中所不能揭示的“另外一面”。 经过近十年的快速发展，非真实感绘制的应用领域已经从刚开始的艺术领域 迅速扩展到工业设计，教育，娱乐等领域。而近几年，研究者们又将非真实感绘 制概念引入了科学可视化领域，尝试将科学三维数据使用非真实感绘制技术进行 展示，以便更好更直观地发现研究对象的特征和本质。 以三维数据作为绘制的数据源是非真实感绘制的一个趋势。体绘制技术是三 维数据绘制方法中的主流研究方向，它的特点是能够显示对象的细节及内部结构， 成像质量高，但是往往数据场过于庞大或者内部结构过于复杂，通过普通体绘制 技术得到的图像往往难以辨别研究者所关心的细节或者内部结构关系。而非真实 感绘制的特点刚好在于能够通过选择某种绘制风格来突出显示对象的某一部份细 节或者内部结构。将非真实感绘制技术应用于传统体绘制技术中，既能够完整显 示整个数据场结构从而避免丢失整体信息，又能够在数据场中突出显示研究者关 心的特殊部分，是体会制技术新的应用方向，对医学，科学探测领域的三维可视 化应用具有重要作用。 同时，由于三维数据规模不断增大，处理方法日益复杂，非真实感体绘制也 面临着与传统体绘制同样的难题：图像质量与绘制速度的矛盾。而随着可编程图 形硬件的出现，其强大的并行处理能力及可灵活定制的渲染流水线为解决这一矛 基于g p u 的1 r 真实感快速休绘制算法研究 盾提供了硬件基础，基于g p u ( g r a p h i c sp r o c e s su n i t ，图形处理单元) 的非真实感 绘制成为该领域的一个研究热点。利用快速发展的图形硬件加速技术的优势和三 维可视化的成熟技术，使用g p u 的可编程流水线对三维数据进行非真实感快速体 绘制的研究具有很好的科研和应用前景。 1 2 研究现状 2 0 世纪9 0 年代，s a i t oa n dt a k a h a s h i ij 和h a e b e r l i 2 】在s i g g r a p h 会议上发 表了两篇关于非真实感图像的论文，产生了非常大的影响。随着后来w i n k e n b a c h a n ds a l e s i n 3 1 、s a l i s b u r y 4 】等论文的发表，这一领域逐渐独立显现出来。到9 7 年， s i g g r a p h 将非真实感绘制作为单独的类别进行研究，从此，非真实感绘制得到 了长足的发展。 早期的非真实感绘制技术主要是针对二维图像进行处理，这类技术给用户提 供方便的艺术绘图工具【5 8 】，比如笔刷、铅笔风格的绘制技术等，用户可以通过 这些技术在画布上创建基于像素的非真实感图像。这种绘制技术的优点是：交互 性强，简单方便。缺点是：表现力差，实现的艺术效果单调。中期出现了基于笔 刷的2 d 绘制技术和2 d 2 5 d 后期处理技术【弦1 3 】。这一时期的非真实感绘制在基 于像素绘制的基础上，提供了更丰富、更成熟的笔刷、画布和笔划模型。2 d 2 5 d 后期处理系统将原始的或有附加信息的图片作为基础进行图像处理。它以增强图 像为基础，并利用艺术家对场景的预先绘制定义，自动生成图像，如：用计算机 模拟素描、水彩、油画等艺术效果。 现阶段，以三维模型和三维数据作为绘制对象是非真实感绘制的一个趋势 1 4 。1 7 】，如：科学探测数据的非真实感三维重建，三维建模及场景渲染等。国内外 研究者已经开始对非真实感绘制在科学可视化中的应用进行研究，并取得了一些 可喜的成果，比如：对人体数据的非真实感三维重建，三维工业模型的内部结构 提取，三维数据的分界面提取等等，这些技术的出现大大增加了研究对象的直观 性和交互性，为相关领域的快速分析研究起到了重要作用。在这个新的交叉领域 中，研究者们致力于将传统非真实感技术与三维图形绘制特别是体绘制技术有效 地结合，以达到研究目的。 由于三维数据庞大的规模与绘制速度这一固有的矛盾，如何在保证图像质量 的前提下达到交互的绘制速度一直是研究的难题，不少研究者都致力于三维空间 的实时非真实感绘制算法的研究【1 8 2 。传统的绘制方法只能从算法方面入手，以 牺牲图像质量为代价，尽量降低算法的复杂度来减少绘制的时间，对性能的提升 有限。可编程图形硬件( g p u ) 的出现为解决这一矛盾提供了硬件基础，使用可编 程图形硬件进行非真实感绘制的研究才刚刚开始，利用g p u 对三维体数据的非真 实感可视化研究则更少。利用g p u 的可编程流水线技术，使用其顶点着色器和像 2 硕i j 学位论文 素着色器的s i m d ( s i n g l ei n s t r u c t i o nm u l t i p l ed a t a ，单指令多数据) 并行处理功能， 将非真实感绘制中的关键处理步骤转化为并行处理，将在保证高质量绘制效果的 同时极大减少数据处理和绘制时间。所以，利用快速发展的图形硬件加速技术的 优势和三维可视化的成熟技术，使用g p u 的可编程流水线对三维数据进行非真实 感快速体绘制的研究具有很好的科研和应用前景。 1 3 研究内容 根据前面的论述可以看到，非真实感技术有着十分广阔的应用前景。但目前 对于非真实感技术与体绘制技术相结合的研究仍不完善，特别是利用现代可编程 图形硬件进行非真实感风格的体绘制研究成果较少。所以，本文展开对非真实感 体绘制技术的研究以及基于图形硬件加速的非真实感体绘制技术方面的研究，以 求取得一定的新的研究成果。 本课题研究内容包括以下几个方面： 1 ) 分析了非真实感技术发展至今的主要研究方向、技术和成果；通过对g p u 的可编程机制、现有的基于g p u 的体绘制加速方法的研究，找到这三者的切合点， 确定了如何将非真实感处理过程应用于g p u 可编程流水线的方法，以及基于g p u 的非真实感体绘制的研究与实验的方向与方案。 2 ) 引入并改进了一种基于2 6 邻域信息的梯度估计算法，根据中心体素周围 的2 6 个邻接点的信息，构造一个基于体数据的四维线性衰减方程，通过方差估计 的方法计算该方程的法向量，得到目标体素的梯度值。最后通过实验与传统方法 进行对比分析。 3 ) 提出一种基于g p u 的体轮廓快速提取算法，采用前面提出的梯度估计算 法检测体数据轮廓线上的体素，加入窗口函数与视点函数重构体素的密度，利用 最大密度投影( m i p ) 体绘制技术在g p u 上实现体数据的轮廓提取，并达到增强轮 廓的非真实感效果。最后将本文提出的算法在n v i d i a 图形硬件上进行实现，并 与传统体绘制效果及绘制时间进行对比，进而评价该算法的性能。 1 4 论文结构 本文由以下六个章节组成： 第一章：绪论。本章对整篇论文进行了简要介绍，包括研究的背景及意义， 本文的主要研究工作和章节结构等。 第二章：非真实感绘制技术概述。本章首先介绍了非真实感绘制的定义以及 发展过程，通过非真实感技术与真实感技术的对比分析了非真实感技术的特点和 分类；然后概括总结了非真实感绘制技术的研究成果，包括各分支的研究目标和 荩十g p u 的1 r 真实感怏速体绘制算法研究 主要技术方法，并对三种主要的非真实感绘制技术进行了详细介绍，对它们的优 势及局限性进行了讨论，以此为后续的研究提供理论基础。 第三章：基于g p u 的非真实感体绘制技术研究。本章从现代可编程图形硬件 ( g p u ) 的硬件体系结构入手，分析了g p u 的可编程机制，并对本文后续实验将采 用的图形绘制语言进行了介绍；然后对已有的基于g p u 的体绘制关键算法及基于 g p u 的非真实感体绘制算法研究成果进行了归纳总结，找到了非真实感技术与体 绘制技术的切合点，确定了将非真实感体绘制应用于g p u 的s i m d 流水线的方法。 第四章：一种检测体轮廓的梯度估计算法。本章分析讨论了传统轮廓检测过 程中的关键步骤一一梯度估计算法，引入并改进了一种基于2 6 邻域的梯度估计算 法，通过实验分析了该算法的优越性。 第五章：基于g p u 的体轮廓快速提取算法。本章提出一种基于g p u 的体轮 廓快速提取技术，采用最大密度投影技术实现了体轮廓提取与增强绘制的非真实 感效果，最后对实验结果进行了分析。 第六章：总结与展望。对全文的研究进行总结，分析了本文主要的贡献与不 足，对以后的研究方向进行了展望。 最后是参考文献和致谢。 4 硕i j 学位论文 第2 章非真实感绘制技术概述 2 1 非真实感绘制的定义 在计算机图形领域，绘匍 ( r e n d e r i n g ) 是指将虚拟场景的描述转换为可供观看 的图像的过程，真实感绘制就是使用模拟真实世界的绘制方法将虚拟场景的描述 转换为可供用户观看理解的真实感风格的图像；而非真实感绘制则是使用非真实 感绘制方法将虚拟场景的描述转换为可供用户观看理解的非真实感风格的图像。 非真实感绘制指的是利用计算机生成不具有照片般真实感，而具有艺术创作 风格的图形绘制技术。其目标不在于图形的真实性，而主要在于通过对事物的抽 象或者某种形式的艺术处理来表现对象的艺术特质，模拟艺术作品；或者是突出 对象的局部细节以体现某方面特征，展示真实感图片中所不能揭示的“另外一面”。 所以在不同的场合，研究者常常使用其它的词来描述非真实感的概念，例如： e x p r e s s i v e ( 有表现力的) 、a r t i s t i c ( 艺术的) 、p a i n t e r l y ( 美术的) 、i n t e r p r e t a t i v e ( 解释 性的) 等，但是这些词汇只能表现非真实感概念的某一个方面，它的具体定义根据 应用领域的不同而有所区别。 现阶段，非真实感绘制领域的成果较多的是融合三维绘制技术，将传统的图 像绘制方法与非真实感绘制技术相结合，研究实时的、交互的非真实感图像绘制。 现有的非真实感图像绘制领域的组成大体可由图2 1 来概括。 悭图獭一b 叫磊磊森1 、。， 图2 1 非真实感绘制研究领域组成 5 幕十g p u 的1 r 真实感快速体绘制算法研究 2 2 非真实感绘制技术发展过程 虽然非真实感绘制这一领域产生时同尚短，但发展速度非常快，是现阶段图 形学研究的一个热点。最初，非真实感绘制的研究出现在对二维交互式绘制系统 的研究中，这些系统的目的是模拟艺术家绘画创作的过程，力求通过定制画刷， 铅笔等工具模拟传统绘画创作的过程，通过计算机的模拟过程在画布上生成基于 像素的图像效果。研究者们对这些技术不同方向的探索导致了两种不同研究分支 的出现：二维( 2 d ) 基于画刷的绘制，包括笔触( s t r o k e ) 、画刷( b r u s h ) 、画布( c a n v a s ) 等模型工具；以及二维- - 维半( 2 d 2 5 d ) 基于图像后处理的绘制系统，这些研究主 要应用于艺术领域，比如将真实感照片处理成为艺术绘图，或者直接通过计算机 生成某种风格的艺术图像。此外，非真实感绘制在科学可视化( s c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n ) 方面的研究也在进行，以往真实感是可视化研究的主要研究手段， 但研究者渐渐发现，非真实感效果在某些情况下更为合适。 在绘制过程中，是否需要用户干预以及操作对象的维数是对非真实感绘制研 究分类的一种依据。一些研究者倾向于自动绘制技术，即绘制过程中不需要或者 很少需要用户干预；而另一部份研究者则完全通过在用户的操作下摆放笔划来完 成绘制。在一些自动绘制系统中使用了2 5 d 数据，它是通过预渲染原始场景得到 辅助信息，这些信息通常和艺术家创作原则相吻合，从而指导绘制过程自动完成。 2 d 绘图( 基- 像素 q u a n t e lp a i n t b o x 其它b i t m a p 绘图系统 2 d 绘图( 基于笔制) h a e b e r l i 9 0 一p a i n tb yn u m b e r s c o c k s h o t t 9 2 m o d e l i n gp a i n tt e x t u r e s a l i s b u r y 9 4 - p e n & i n ki l l u s t r a t i o n 2 d 1 2 5 d 的后期处理系统 b a k e r g e m - f r e e h a n dp l o t t i n g b u c h a n a n 9 6 一e f f e c t sw i t hh a l f - t o n i n g t r e a v e t t 9 7 a u t o m a t e dn p rl m a g e s l i t w i n o w i c z 9 7 v i d e op r o c e s s i n g h e r t z m a n n 9 8 b r u s h e so fv a r i o u ss i z e s 图2 2 非真实感绘制的发展过程 以三维数据作为绘制的数据源是非真实感绘制发展的一个趋势，这使得非真 实感绘制可以很好的利用三维图形渲染已经取得的研究成果。传统的图形渲染流 6 硕i 。学化论史 水线为非真实感绘制提供了强大的工具，使得它能够快速有效地对二维三维数据 进行处理。在此基础上，一些研究者丌始关注于非真实感绘制实时性、交互性的 研究，即使用不同非真实感风格显示三维数据的实时非真实感绘制算法，将这些 方法应用于科学探测得到的三维数据的研究中，可以产生独特的显示效果，帮助 研究者发现三维数据的某些特征。 随着近年来可编程图形硬件的迅速发展，非真实感绘制的发展也得到了强大 的硬件平台支持。它强大的并行处理能力及可灵活定制的渲染流水线对实时算法 的研究有着关键的促进作用。近几年基于g p u ( g r a p h i c sp r o c e s su n i t ，图形处理 单元) 的非真实感实时绘制的研究成为该领域的一个热点。图2 2 大致描述了非真 实感渲染的发展过程及代表性的研究成果。 2 3 非真实感绘制的特点 非真实感与真实感研究无论在目的和方法上均有本质不同，从而其应用领域 也各有偏重。 从研究目的来看：真实感是通过对现实世界的精确模拟，诚实地反映客观世 界的本来面目；非真实感是通过艺术处理手段对对象进行创作加工，从而使得绘 制结果更能表现创作者的意图，反映人们对客观世界的主观认识。 从研究方法来看：真实感绘制研究关注于对真实世界和光线行为物理建模的 真实模拟过程；非真实感技术则建立在人类感知的基础上，对某一部分过程进行 歪曲、夸张或者抽象地表现。因为有时候对一个客观的、可预测的物理现象进行 一些修改( 例如信号的增强或者过滤) 能使特定方面的信息获得更强的表现能力。 所以非真实感绘制往往以模拟人们创作过程或主观视角为目标，首先对所要描绘 客观世界的信息筛选、提取，而后根据创作者的意图加强、放大某些局部特征对 比( 比如轮廓、颜色) ，这些都是与人的视觉主观感受紧密联系的。 从应用来看：在艺术领域，非真实感技术的应用占据着重要的位置，比如现 在常用的图形图像处理软件系统，大都提供了多种艺术处理效果；遍布每个角落 的广告宣传图像无不是借助了非真实感技术来实现艺术效果。摄影本身也是加入 了种种主观因素和非真实感技巧后，才逐渐被艺术界认可。在工程设计领域，非 真实感绘制更能突出地体现设计者的设计意图，所以非真实感在工程技术图、概 念设计图比真实感有更好的表现效果。娱乐方面，卡通动画电影电视同样受到人 们的喜爱，它也正是非真实感研究的一个重要方向。在教育领域，简单和色彩明 快的图像是更直接的传送信息方式，相比文字，它有着相当的优越性，所表达的 主题也更容易被人接受。以诸多不同领域为研究对象，正是对非真实感的一种分 类方法。 表2 1 通过真实感绘制与非真实感绘制之间的对比，可以直观地看出非真实 7 皋于g p u 的1 r 真实感伙速体绘制算法研究 感绘制的特点。 表2 1 真实感绘制与非真实感绘制的对比 2 4 非真实感绘制技术的分类 根据研究角度的不同，非真实感绘制产生了许多不同的分类。其中，在国内 外研究中占主流的有三种分类方法：1 根据处理的数据维度及是否与用户交互来 分类；2 根据绘制方法来进行分类；3 按绘制风格( 应用领域) 进行分类。 1 按数据维度交互性的分类 早期的非真实感绘制技术主要是二维的交互式绘图系统。后来，出现了不需 要用户交互的三维自动绘图系统。我们可以根据处理的是3 d 还是2 d 2 5 d 的数 据以及是否需要用户交互，将非真实感绘制技术分为四类，如表2 2 。 1 ) 不需要用户交互的2 d 2 5 d 非真实感绘制 这类绘制主要是把图像和视频序列自动的处理成具有风格化的艺术效果的图 像。如：h e r t z m a n n 【5 】提出的将输人照片数据，处理成为手绘风格的图像。该方法 依据原图的颜色，应用不同的笔触来绘制图像。它使用分层绘制的方法，首先绘 制粗的笔划，然后在适当的地方绘制细一级的笔划覆盖在粗笔划上，依此类推绘 制若干层。 2 ) 不需要用户交互的三维非真实感绘制 此类非真实感绘制技术典型代表有w i n k e n b a c h 9 8 t 3 1 、m a r k o s i a n 9 7 t 6 】、 g o o c h 9 8 t 7 】等。他们都借助了计算机的图形硬件加速，实现了非真实感动画和虚拟 漫游。由此还衍生了许多非真实感的辅助技术，比如：阴影技术、框架绘制技术， 硕卜学位论文 卡通绘制技术等。 3 ) 需要用户交互的2d 2 5 d 非真实感绘制 这类系统需要用户的控制，不能自动生成最终图像。该类系统大多是使用三 维模型预先生成二维的图像作为中| 日j 产品，然后通过用户控制，在中间产品上绘 制生成最终的二维图像。所以，这被称为是2 5 d 的。例如c h e n t8 】阐述的水彩画 的各种效果，是通过对水彩画流动性的模拟生成的。 4 1 ) 需要用户交互的三维非真实感绘制 这类非真实绘制主要应用于三维效果、虚拟场景等的生成。如t e e c e 9 8 9 】中， 提出了一个需要用户干预的三维非真实感绘制系统。在该系统中，用户交互地在 三维物体的表面放置笔划，这些笔划可以在改变视点的情况下保持三维位置信息 不变，一旦笔划放置完成之后，就可以方便地生成动画或是静态的图像。 表2 2 根据数据维度交互性进行的分类 2 按照绘制方法分类 根据绘制方法的不同，非真实感绘制技术可以分为以下四类： 1 ) 基于模型的( m o d e l b a s e dn p r ) 基于模型的n p r 主要包括对传统绘制媒介的模拟，比如钢笔画效果、铅笔画 效果、油画效果、水墨画效果等。 2 ) 基于图像的( i m a g e b a s e dn p r ) 基于图像的n p r 主要包括对单幅图像或者视频流的处理。其中针对视频流的 9 某fg p u 的1 r 真赏感性体镕制算法q f 究 处理中，不仅要研究单个视频帧的处理，还牵涉剑帧与帧之b j 的联系与差别等复 杂问题。这也是今后研究的一个方向。 3 ) 混台* j ( h y b r i da p p r o a c h ) 混合绘制将基于模型与基于图像的非真实感绘制结合起来以达到优势互补 的效果。 4 1 交互绘制系统 交互绘制系统= = 要处理人与系统交互的问题。它有助于处理交互性强，需要 人参与或者是计算机不能自动处理的绘制过程，例如在科学探测数据的显示方面， 交互性的体绘制技术是现阶段的研究重点。 3 按绘制风格( 应用领域) 分类 按照绘制风格，非真实感技术可以分为以下几种： n 铅笔、钢笔画和线条画 这一类绘制追求铅笔、钢笔等的素描效果。这些都是通过模拟现实的艺术绘 画效果柬实现的，主要使用线条模拟人工笔划勾勒对象轮廓，使用线条曲率方向 表现景物形状，线条笔划密度表现光照明暗，等等。该领域的研究以w i n k e n b a c h 3 i 、 s a l i s b u r y 4 1 为代表( 图23 ) 。他们都提出了基于笔触纹理的绘制方法以及生成具有 连续渐变效果的色调纹理的方法，印优先笔触纹 犟( p r i o r i t i z e ds t r o k et e x t u r e ) 。 w i n k e n b a c h 归纳了计算机自动生成铅笔画插图的一些基本原则，并给出大多数原 则在自动绘制系统中的实现方法，根据这些原则能够较好地传递视觉信息。此外， 这篇文章创造性地提出了使用多分辨率笔触纹理来解决三维空间纹理的一致性问 题。如图23 是w i n k e n b a c h 实现的计算机模拟素描面的效果。其主要基础就是笔 触纹理( s t r o k et e x t u r e s ) 的模拟方法，借助笔触纹理绘制三维物体，可以表示线条 的色调等信息。该方法的缺点是没有很好地解决动画各帧之间的一致性问题，抖 动比较严重。 舅t _ 露 ，一 - 嘲醪 1 燕、一嬲“? 雌“。戳谲毖，礴甥黔：蕊蕊戆嘲 图23 计算机模拟素描的效果 2 1 艺术绘图 各类艺术_ 【) ( l 格绘制是非真实感渲染主要t ：l 标之。综合的绘制系统可能包含 硕i ：学位论文 几种风格：印象派( i m p r e s s i o n i s t ) 、表现派( e x p r e s s i o n i s t ) 、水彩( w a t e r c o l o r ) 、点绘 ( p o i n t l i s t ) 等，还有中国特有的水墨画( i n kp a i n t i n g ) 风格。其技术实现也是分为两 种不同路线：物理模拟和自动绘制。以c u r t i s 1 0 】、p t h o m a s 【1 1 1 为代表的物理模拟 主要是对画纸、画刷和颜料等介质的物理性质以及绘画过程进行模拟，如：颜料 在纸上的流动，不同画刷笔划之间的重叠交互，纸对水的吸收能力等等。自动绘 制则根据图像图形信息自动分布画刷纹理，如m e i e r l l 2 】、l i t w i n o w i c z t l3 1 ，最为经 典的是h e n z m a n n 【5 1 ，他提出的多分辨率从粗到精的绘制思想被很多后续研究所 采用。 3 ) 卡通风格渲染 卡通渲染是非真实感绘制效果的一种。d e c a u d i n 1 5 】最早提出了计算机自动生 成卡通效果3 d 场景的绘制算法。卡通风格主要特色是有明显的轮廓线，鲜明对 比的颜色区间。轮廓线在3 d 场景中的生成已有较为成熟的算法，即通过深度图 和法向量图来检测轮廓线，这些常用技术在下一节中将详细描述。卡通着色通过 光照模型计算得到光照强度并结合阴影图( s h a d o wm a p ) 得到光亮图，再使用二分 法对光亮图处理得到高光部分，从而得到对比鲜明的颜色层次。 4 ) 技术插图 美国u t a h 大学曾对技术插图中的绘制技术进行了系统的研究【7 】【2 0 】【2 2 1 。他们 提出的计算机生成的技术绘制相比于传统真实感绘制有很多优点，比如更清楚的 形状、结构表达。他们的系统对轮廓线( s i l h o u e t t e ) 和能够体现形状的部分进行适 当增强，彩色插图使用了色度和亮度的变化以传达形状。文献 7 提出了一个非真 实感光照模型，用来模拟各种手绘技术插图。该光照模型使用明暗度和色调的变 化来反映三维物体的面与光源的关系，能够很好的描述物体的形状、结构和材质 组成。该文摒弃了传统的从明到暗变化的光照模型，对之后的非真实感绘制研究 产生了很大影响。 5 ) 科学可视化 科学可视化主要是将科学探测数据( 通常是三维数据集) 通过某种绘制技术以 图像的形式展示出来，通过获取图像传达的信息达到科学研究的目的。它主要研 究如何设计、实现与评价通过图像传达信息的方法。比如：如何描述一个复杂的 数据集，从而让人们能很快地观察到本质和重点。近些年，非真实感绘制在科学 可视化领域的研究逐渐丌展起来。最早的非真实感科学可视化可以追溯到文献 16 】，这些工作是教科书中的手绘插图的绘制，其普遍的目标是尽可能简洁地描 绘物体，强调出其重要特点，并弱化其余非重点【i 引。手工绘制比照片更能描述结 构信息和概念上的信息，并且可以用来描绘一些抽象的信息数据【1 9 】。另外，由于 非真实感渲染的不精确和指导性特点，它可以用来表达一些模糊的、理解上有很 大自由度的信息或景物【2 2 27 1 。最近这个分支的研究也都是出于相似的用途。本文 肇十g p u 的1 r 真实感快速体绘制算法研究 中提出的体轮廓提取算法就是非真实感科学可视化的一种应用。 根据国内外的研究现状，我们可以看到，非真实感绘制技术正在同益向高质 量，高交互性，高维度的方向发展，针对三维空间的非真实感体绘制技术已经成 为了研究热点。 2 5 非真实感绘制的主要技术 2 5 1 光照模型 光照模型( i l l u m i n a t i o nm o d e l ) 是根据有关光学定律，计算图形中各点投射到 观察者眼中的光线强度和色彩的数学模型。它的概念最早出现在真实感绘制技术 中，经过了长期的发展研究衍生出了一系列成熟的模型，在真实感绘制中得到了 广泛应用。由于光照模型处理的步骤是通过模拟环境光线得到进入人眼的图像的 色彩和光线强度，在这个过程中加入非真实感技术同样能得到相应的非真实感风 格的图像，实际上光照模型也是非真实感绘制的主要技术之一。比如采用色调光 照模型进行风格画的绘制【5 】【7 】【12 1 ，通过改变光照模型显示三维图形的隐含分界面 【2 8 1 等等。光照模型根据不同的研究定位也有不同的分类方法，按照光照的范围分 类有局部光照模型和整体光照模型；按照复杂度分类有简单光照模型与复合光照 模型；按照光源的特性又分为点光源、聚光光源、方向光源模型。本节主要对非 真实感领域研究应用较多的局部光照模型与整体光照模型进行分析。 1 局部光照模型 简单的局部光照模型假定光源是点光源，物体是非透明体，不考虑折射，反 射光由环境光、漫反射光和镜面反射光组成。 环境光的特点是：照射在物体上的光来自周围各个方向，又均匀地向各个方 向反射。计算公式为： i 。= i a k 。 ( 2 1 ) 其中l 为环境光强度( 常数) ；k a 为物体表面对环境光的反射系数。 漫反射光是物体向周围均匀地反射的光线，根据朗伯( l a m b e r t ) 余弦定律可以 给出计算公式： i d = k d i c o s a , , ( 2 2 ) f