作者姓名：王嘉平
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85 論文題目：基于數據驅動的表面質感建模與繪制
9}[UZN6 作者簡介：王嘉平，男，1980年3月出生，2004年7月師從于中國科學院計算技術研究所博士生導師，沈向洋教授，于2007年08月獲博士學位。
{Vw\#/, 6YHQ/#'G~ 中文摘要
<UEta>jj 真實世界中物體所呈現出豐富的外觀取決于物體材質和光的復雜交互作用。作為真實感圖形學的核心課題之一，表面質感建模和繪制重點研究如何有效、真實地描述物體“材質”(Material)，即物體材料與光的交互作用，使得可以在計算機中繪制出真實的物體光照效果。同時，真實材質數據的測量、模型重建，以及如何使用材質模型進行繪制也是表面材質建模與繪制的重點研究問題。完備性、有效性和易用性是表面質感建模的三個目標。完備性是指模型的表達能力，包括能夠表達的光照和視覺效果種類，逼真程度，以及能夠描述的真實世界材質的范圍等。有效性主要考量模型的參數個數、狀態空間的維度以及模型存儲空間的復雜度。易用性是指模型的測量、重構以及繪制的難易程度，包括對真實材質進行測量的難易程度和所需條件，和對各種真實感繪制流水線的支持程度等。
zu,F 0;De 雖然近年來表面質感建模與繪制的研究已有了長足的發展，但是復雜表面質感的建模，特別是對具有復雜幾何和反射屬性的粗糙表面材質，半透明材質，以及時變材質的建模還面臨著很大挑戰。一方面，由于這些材質中材料與光交互作用的物理機制非常復雜，千變萬化，甚至具體過程仍然是未知的，使得基于物理的仿真模型很難滿足完備性和有效性的要求。另一方面，這些材質所引起的光影效果和光照方向、視線方向、以及入射和出射表面位置相關，構成了八維的雙向表面散射反射分布函數(BSSRDF)或其高維簡化表達。使得數據采集困難，模型數據量大，無法滿足有效性和易用性的要求。
iBM;$0Y 本論文針對這些挑戰，在該領域的三個前沿課題：時變材質建模、粗糙表面材質建模以及半透明材質建模上開展了研究，分別提出了新的材質模型與建模方法，以及高效實用的測量方法。相關成果發表于計算機圖形學最高水平的期刊ACM Transactions on Graphics以及圖形學最高水平會議ACM SIGGRAPH上。論文的主要內容和創新點如下：
ir{li?kV 1.基于“表觀流形”(Appearance Manifold)的時變材質模型
K9HXy*y49 自然界大部分材質都會受外界環境影響而隨時間發生變化。這些變化同時導致表面反射屬性及其分布的變化。由于這一過程內在的物理化學機制非常復雜和多樣，使得基于物理的建模方法很難具有通用性。同時，由于這一變化過程可能歷時非常漫長，使得直接測量整個時變序列建模方法非常困難。本論文提出了時變材質的 “表觀流形”(Appearance Manifold)模型及其建模算法。表觀流形模型揭示了時變材質在時間上變化是漸變的這一基本特性，從而將各種時變材質都表達為高維反射屬性空間中的低維流形。在建模算法中，則利用時變材質同一時刻在空間上變化包含處于不同時間階段樣本這一重要特性，引入流形學習(Manifold Learning)的思想，構造高維空間中樣本的緊鄰拓撲關系。通過分析各個空間樣本的相對測地距離以建立不同位置上的表面質感樣本在變化趨勢上的一致性關系，從而揭示各點上表面質感樣本的相對時間關系。繼而根據這個關系來推導時變表面質感的空間上和時間上的演化過程。為此論文提出了新的幀間一致性紋理合成技術(Frame-Coherent Texture Synthesis)，成功從二維紋理樣本在時間變化一致性的約束下合成三維的時變紋理序列，即具有高真實感的表面質感變化序列。
eT'Z;ZO 表觀流形模型是圖形學中第一個適用于不同時變材質的通用表觀模型。表觀流形的分析方法不依賴于時變過程的物理化學機制，而是直接對外觀樣本進行分析建立模型，具有良好的完備性。論文將模型成功應用于多種不同類型時變材質，如植物枯黃，金屬氧化，石頭磨光等不同的時變材質等，獲得了高度真實的效果。同時模型的建立過程避免了測量時間序列樣本，而是通過流形學習技術從靜態樣本的空間分布中逆向求解時間序列，使得模型測量的時間不依賴于時變過程的速度，從而極大縮短了數據采集的時間，具有很好的易用性。該模型由于只需要一個時間點上的靜態樣本數據就可以預測時變表面質感的變化過程，使得正/逆模擬真實世界中物體的風化過程成為可能，在文物保護，文化遺產再現等方面也具有現實的應用價值。該項工作發表在2006年的國際圖形學年會(ACM SIGGRAPH)上，收錄于國際圖形學領域最高水平的期刊ACM Transactions on Graphics (ACM TOG, IF 4.02)，并已申請國際專利，受理并公開。論文發表后，已有來自ACM TOG、IEEE TVCG等高水平國際期刊論文引用11次。
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