第十章 绘制技术
10.1 基于图像的绘制技术IBR
10.1.1 传统图像绘制与IBR比较
IBR，Image-Based Redering
| 传统图像绘制 | 基于图像的绘制技术 |
|---|---|
| 建模复杂、困难 | 建模简单 |
| 计算和显示开销大，绘制速度慢 | 显示速度快 |
| 难以达到真实感效果 | 真实感强 |
10.1.2 IBR发展方向
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与传统集合绘制方式有效结合
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算法固化提高图像生成速度，达到实时绘制
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分层绘制
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提高Morphing中特征提取的效率和质量
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图像拼接中的快速配准
10.1.3 IBR的绘制过程
IBR绘制中的重要方法：
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几何和图像混合建模(Hybrid Geometry- and Image-based Approach [DTM96])
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特点
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可以通过拍摄的几张照片合成逼真的新视图，简单快捷
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只能适用于普通建筑物等外形规整的景物
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过程
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a. 拍摄相片，交互指定建筑物边缘
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b. 生成建筑物粗模型
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c. 利用基于模型的立体视觉算法精化模型
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d. 利用基于视点的纹理映射合成新视图
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视图插值和变形(View Interpolation[CW93] / View Morphing[SD96])
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特点
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简单方便，只要求几幅参考图像
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漫游范围受限，只能在几幅参考图像的视点连线之间作有限运动
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常用于加速图形学中的绘制速度
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视图插值方法(View Interpolation)：
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要求新视点位于两参考图象视点所决定的直线(基线， baseline)上。由参考图线性插值产生新视图。
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一般情况下不能产生正确的透视投影结果，而只生成近似的中间视图。
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视图变换方法(View Morphing)：
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利用参考图像上像素点重投影生成新视图
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利用投影知识决定的变形位置
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全视函数(Plenoptic Function-based)
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$\mu = Plenoptic(\theta , \phi ,\lambda,V_x,V_y,V_z,t)$
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基于光场的显示(Light Field Rendering[LH96] and Lumigraph [GGSC96])
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基于“自由空间中沿一条光线传递的辐射能不变” 的假设，把全视函数简化为描述离开或进入一封闭自由空间(如空立方体)的完全光流分布
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由于只考虑视流信息，因此不必对反射属性作假设，不需要立体对应关系
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数据量大，采样困难
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图象拼接(mosaic)
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全景图(Panorama)
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在一个视点拍摄的几幅图像，通过整合拼接成一个视点周围的场景视图，投影在圆柱面或者球面上成为全景图。
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只需在一个视点拍摄的几张照片，数据量小，采样方便。
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视点不能移动，但是可以转动观察方向，通过放大缩小（zoomin/zoom out)进行近似的前后运动
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同心拼接(Concentric Mosaic)
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通过沿一系列同心圆切线方向拍摄的狭缝图像拼合成同心拼接
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</p> -
特点：
只需在一个圆上拍摄的一系列图像，采样方便
视点可以在采样圆内做平面移动，生成场景真实感强
数据量较光场等全视函数方法为小
移动范围受限，基于狭缝图象的绘制：有场景畸变现象
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基于狭缝图象段的绘制
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将同心拼接中使用的狭缝图象进一步分为狭缝图象段
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测定不同距离上对应狭缝图象段的伸缩比例
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利用狭缝图象段的伸缩进行正确的绘制
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立体视觉(Stereo Vision)
10.2 基于点的建模与绘制
10.2.1 点建模与绘制方法
Point based Rendering
随着模型多边形复杂度的剧增，点模型的优势越发明显。
点模型的数字几何处理流程：
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点的获取
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3D扫描仪（深度照相机生成的深度图和激光三维扫描仪等设备得到的大量空间三维点位置）
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点模型的另一个来源是现有模型 ，大部分几何模型如多边形网格模型、隐式曲面等都能方便地转化为点模型
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点的处理
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配准
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机器配准：标签法
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自动配准：特征提取法
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去噪
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移动最小二乘（MLS）曲面逼近原始点集模型
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基于三维 Meanshift 过程的各向异性点模型去噪算法
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MLS 曲面重建方法
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点模型的非局部去噪方法
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基于采样保真性的点模型去噪算法
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修补
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基于上下文的点模型修复
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点的建模
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目标：从原始点云中构造出一个连续的表面模型
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涉及的技术较多，曲面重建、曲面简化、几何属性分析、特征提取、重采样
点模型的后期处理则是对点模型作进一步的造型处理：编辑、变形、布尔运算
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曲面重建技术
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指根据离散扫描点数据重建三维模型的过程
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常用方法：
RBF (Radial Basis Function) 曲面重建方法
MLS (Moving Least-Square) 曲面
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曲面简化技术
- 利用三维扫描仪获得的点模型通常具有很高的复杂度，为了使大规模数据模型符合几何处理和绘制，必须对数据模型进行简化
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点模型编辑技术
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对点模型的颜色、纹理等外观属性以及法向量的处理。例如下图是点模型的画刷着色效果图。
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几何造型技术
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实体几何造型(CSG：Constructive Solid Geometry)
一种基于简单实体的布尔运算构造复杂模型的技术，即通过对多个简单的点模型进行布尔运算后生成复杂的点模型。
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自由变形
这种变形技术首先生成一个置换函数 d： $R^3\rightarrow R^3$，然后对表面上的每个点 $P_i$ ，实施变换 $P_i \rightarrow d(P_i )$
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点模型动画 (MFM：Mesh Free Method)
力学分析的新方法，近年来研究者将无网格方法和点模型相结合，提出了基于点的动画。例如： 模型形变
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模型渐变 (Morphing) 技术
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点模型自身的特点决定了在模型渐变中，它比基于网格模型的渐变有明显的优势，但由于点模型没有提供表面的解析表达式和参数化信息，从另一方面又增加了它渐变的难度。
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基于物理的渐变
需要建立相关物理模型，中间过渡点模型根据能量方程求解，这种渐变在一定程度上模拟了真实的物理现象
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基于几何的渐变
通过对源和目标模型进行几何变换来获得中间过渡模型，其计算量没有基于物理的渐变大
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点模型的绘制，如 Qsplat 技术
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由斯坦福大学开发的具有代表性的点绘制技术。
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它利用树状层次包围球数据结构，树中每个结点包含球的位置和半径、每点处的法向量、法锥面的宽度、颜色值。
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在进行绘制时，层次树按深度优先方法递归遍历。
对每个中间结点，首先判断该球是否完全在屏幕外或者是完全背向的，以进行可见性选择。
如果该结点至少有一部分子结点是可见的，则将该结点在屏幕上的投影大小同一个阈值进行比较。
如果大于阈值，则继续向下递归；
如果小于阈值或者已经到达叶结点，则按该结点的球位置及半径确定的屏幕上的位置和大小绘制一个小区域。
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10.2.2 基于点的建模与绘制的发展趋势
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基于点的自然场景建模
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基于点模型的动画
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点模型的简化、压缩和传输
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基于GPU的大规模点模型绘制