圖像渲染真實感圖像渲染

真實感圖形學是計算機圖形學中的一個重要組成部分，它的基本要求就是在計算機中生成三維場景的真實感圖形圖像。真實感圖形學已經(jīng)有了非常廣泛的應用，在計算機輔助設計、多媒體教學、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、科學計算可視化、動畫制作、電影特技模擬、計算機游戲等許多方面，發(fā)揮了重要的作用，而且人們對于計算機在視覺感受方面的要求越來越嚴格，這就需要我們研究更多更逼真的真實感圖像生成算法。

對于場景中的物體，要得到它的真實感圖像，就要對它進行透視投影，并作隱藏面的消隱，然后計算可見面的光照明暗效果，得到場景的真實感圖像顯示。但是，僅僅對場景進行隱藏面消除所得到的圖像真實感是遠遠不夠的，如何處理物體表面的光照明暗效果，通過使用不同的色彩灰度，來增加圖形圖像的真實感，這也是場景圖像真實感的主要來源。

計算機真實感圖像是一種光柵圖像，由象素構成。生成一幅真實感圖像時，我們必須逐個象素地計算畫面上相應內容表面區(qū)域的顏色。顯然在計算可見景物表面區(qū)域的顏色時，不但要考慮光源對該區(qū)域入射光及光亮度和光譜組成，而且還要考慮該表面區(qū)域對光源的朝向，表面的材料和反射性質等。這種計算必須基于一定的光學物理模型——光照明模型。基于場景幾何和光照模型生成一幅真實感圖像的過程稱之為繪制。常用的真實感圖像繪制算法包括掃描線算法，光線跟蹤算法，光能輻射度方法等。由于光柵圖像通常包含數(shù)十萬甚至上百萬個象素，因此，如何開發(fā)利用景物的空間連貫性和圖像連貫性，提高繪制算法效率是真實感圖像技術的研究重點。

如此大的計算量，使得人們絞盡腦汁去提高渲染的效率，人們也設計了很多方法和技巧。面要在計算機上實現(xiàn)實時的三維表現(xiàn)，就要借助顯示硬件的幫助——那就是圖形處理器。

應該說有顯示系統(tǒng)就有圖形處理器(俗稱顯卡)，但是早期的顯卡只包含簡單的存儲器和幀緩沖區(qū)，他們實際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，圖像渲染主要是由CPU的運算來完成的。尤其是對許多大型的三維圖形軟件來說，大部分時間都是在進行渲染工作。圖像渲染會涉及到大量的浮點運算，象三維實體的位置變化，各種變換所需要的矩陣運算，以及為追求真實感而設計的各種光線跟蹤，輻射度等算法，即使對性能很好的計算機，也是很大的工作量。所以以后發(fā)展的圖形處理器都有圖形處理的功能。它不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形函數(shù)，這樣就大大減輕了CPU的負擔，提高了顯示能力和顯示速度。

隨著電子技術的發(fā)展，顯卡技術含量越來越高，功能越來越強，許多專業(yè)的圖形卡已經(jīng)具有很強的3D處理能力，而且這些3D圖形卡也漸漸地走向個人計算機。一些專業(yè)顯卡具有的晶體管數(shù)甚至比同時代的CPU的晶體管數(shù)還多。如NVIDIA公司2002年11月出售的GeForceFX芯片，被稱為視覺處理器，具有12500萬顆晶體管，是同時代Pentium 4 CPU(具有5500萬顆晶體管)的兩倍。

在圖像渲染前，需要準備好三維幾何模型信息，三維動畫定義信息和材質信息。其中三維幾何模型通過三維掃描，三維交互幾何建模和三維模型庫中獲取；三維動畫定義通過運動設計，運動捕捉，運動計算和動態(tài)變形中獲取：材質從掃描的照片，計算機計算出的圖像和人畫出的圖畫中獲取。圖像渲染中要完成的工作是：通過幾何變換，投影變換，透視變換和窗口剪裁，再通過獲取的材質與光影信息，生成圖像。圖像渲染結束后，會把圖像信息輸出到圖像文件或視頻文件，或者是顯示設備的幀緩存器中完成圖形生成。

圖像渲染是將三維的光能傳遞處理轉換為一個二維圖像的過程。場景和實體用三維形式表示，更接近于現(xiàn)實世界，便于操縱和變換，而圖形的顯示設備大多是二維的光柵化顯示器和點陣化打印機。從三維實體場景的表示N維光柵和點陣化的表示就是圖像渲染——即光柵化。光柵顯示器可以看作是一個象素矩陣，在光柵顯示器上顯示的任何一個圖形，實際上都是一些具有一種或多種顏色和灰度象素的集合。

正像人們意識到繪畫的最終目的并不僅僅是模仿自然和真實再現(xiàn)外部世界，在計算機圖形學中的圖像渲染領域，更應該有多樣化的目標和選擇。

尤其在近十年以來，這種多樣化的探索形成了一個高潮，一個術語漸漸流行起來，它就是“非真實感圖像渲染(NPR，Non-photorealistic Rendering)”，又稱之為風格化渲染。非真實感圖像渲染并不關心像照片般真實地再現(xiàn)客觀世界，恰恰相反，它更專注于圖形個性化和藝術化的表達。在非真實感圖像渲染中，需要對渲染內容和方式做出主動的選擇。對內容創(chuàng)造者(Comem Creator)來說他認為重要的部分要重點表現(xiàn)，而且要用他認為合適的方式來表現(xiàn)，而被創(chuàng)作內容在視覺上的真實并不是被考慮的重點。非真實感圖像渲染經(jīng)常由一個應用程序實現(xiàn)，這個程序以一幅圖像或三維實體為輸入，而輸出特定藝術風格的圖像。

計算機圖形學研究人員的趣昧的變化與繪畫歷史的發(fā)展有相似之處。在相當長的歷史階段中，畫家們都以真實再現(xiàn)外部世界為最高目標，并為此創(chuàng)造了許多方法和技巧(如透視等)。而畫家的趣味也在改變，尤其是在照相機發(fā)明之后，因為沒有人能夠象照相機那樣真實地再現(xiàn)外部世界。他們把目光投入到內心深處，于是又產生大量的個人化藝術化和風格多樣的繪畫流派和藝術體驗。計算機圖形學研究人員在圖像演染中也發(fā)現(xiàn)了更多樣的選擇，在這個領域做出了大量的嘗試和探索。

過去曾被西方稱為印度墨渲染（indianink rendering）,現(xiàn)在被西方稱為中國墨渲染(chinese stick ink rendering).這是一種以墨色深淺表現(xiàn)明暗效果 與建筑形體和材料質感的技法。說多了講不清楚，請看下面的實際渲染圖。

通俗一點說，渲染圖和照片差不多。左邊這幅渲染圖相當于黑白照片。只不過要等建筑建成后人才能拍照片，而渲染就是建筑師在設計建筑時想讓建筑建成后變成這樣，有一個時間順序而已。

圖像可以分解為結構和紋理2大部分，其中的結構信息體現(xiàn)的是圖像的整體框架，包含圖像的邊緣等重要的描述信息，而紋理信息體現(xiàn)的是圖像框架中的細節(jié)部分。

TV模型容易在各向異性擴散的過程中，將平滑區(qū)域噪聲作為邊緣而產生階梯效應，而分解出來的結構圖像，去除了圖像的噪聲。因此，對圖像的結構部分使用基于TV模型圖像修復，就能避免噪聲干擾引入的階梯效應，但是此時還存在一個問題，利用結構圖像進行TV模型的擴散修復，僅能避免原來圖像中噪聲對圖像造成的階梯效應，而對于圖像中的邊緣部分圖像梯度變化大的地方即圖像的特征點，如還沿著梯度的垂直方向擴散，則必然會造成圖像特征點的迷糊化，因此，為保證圖像的特征點的保持，必須在修復過程中將圖像的特征點提取出，保證對特征點不沿著圖像的梯度正交方向擴散。

在圖像的結構部分采用以下的修復方程：

該修復方程利用圖像分解技術提取圖像結構部分，避免了原始TV模型容易引入的階梯效應，防止修復結果出現(xiàn)假邊緣，同時，對于圖像中存在的特征點能很好地實現(xiàn)保留。