房強

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 藝術學院，陜西 西安710300）

基于圖像的三維后期處理特效系統(tǒng)研究

房強

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 藝術學院，陜西 西安710300）

文中針對通過編碼將某種特效渲染寫進程序，不能實時觀察各種特效融合的情況，設計了一個后處理特效編輯器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在可視化編輯器界面下，通過運用高動態(tài)范圍渲染技術以及實現(xiàn)該技術的最優(yōu)算法，能實現(xiàn)圖像的三維后處理特效的各種融合渲染。在對系統(tǒng)的測試表明，該系統(tǒng)能夠在可視化編輯器下將多種特效融合在圖像上，使圖像更加逼真、生動。

高動態(tài)范圍；后處理特效；編輯器；可視化

計算機實時繪制領域始終在迅猛發(fā)展，本文通過加入模型、地形、聲音、動畫等元素便可實現(xiàn)對虛擬場景的實時編輯[1]，但對于照片的真實親切感及場景再現(xiàn)感，會由于人眼受到外界光線強弱的干擾，當物體移動時，若不對圖像進行處理，也會有失場景感。對于這些差異，文中就要發(fā)揮對于圖像的后處理特效[2]，從而達到改善烘托的效果，實現(xiàn)照片級的肉眼真實感以及場景在線實時感[3]。與此同時，可視化編輯對于后處理特效的三維場景[4]的真實感處理極其重要，因此需要研究一個系統(tǒng)，更加方便快捷的實現(xiàn)可視化編輯，該系統(tǒng)的可視化編輯能夠實現(xiàn)任意特效的各種組合[5]，并將其切實到實際場景中。

通常該系統(tǒng)要所包含的后處理特效編輯有景深、運動模糊、眩光等[6]。太陽的光照和月光有著明顯差別。但在目前的計算機中劃分亮度是用8 bit（256）級或 16 bit（65536）級[7]。比如太陽和月光的亮度差異較大，根本無法在圖像中體現(xiàn)。為了能夠展現(xiàn)魅力世界，能使豐富多彩的光照亮度明顯的表現(xiàn)在一幅圖像里便需要利用文中系統(tǒng)的核心內容，高動態(tài)渲染技術[8]。例如在圖像中出現(xiàn)耀眼的光源和反射、動態(tài)曝光，在高動態(tài)渲染技術中均可輕易的實現(xiàn)，使圖片具有應有的真實感和運動過程中的圖像模糊感[4]。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)功能設計概述

對于三維場景中圖像的后處理特效的編輯及渲染功能[6]的實現(xiàn)是三維后處理特效子系統(tǒng)的主要功能，該系統(tǒng)主要用來處理圖像的最后特效的編輯，能夠使用戶在可視化條件下操作，擺脫掉以往只能在程序中將特效完全固定的情況[10]，使用戶能更直觀，方便的對三維場景中后處理特效進行操控。系統(tǒng)設計中包含景深、運動模糊、bloom、全屏模糊、眩光、體積光等[11]可供編輯的后處理特效插件，其各自功能均是以增加圖像的真實感為目的[2]。對于可視化編輯器的功能，主要是從用戶層面和底層的特效渲染進行研究，從而達到操作者能在可視化條件下進行編輯。單獨渲染和多個特效同時渲染的實現(xiàn)是系統(tǒng)對實現(xiàn)特效渲染功能的要求。

1.2 系統(tǒng)流程設計

基于以上理論研究，可以將本系統(tǒng)劃分為5部分順序執(zhí)行。首先是初始化部分，初始化部分簡單，只需在編輯界面添加一個RenderTarget框，然后是特效鏈的編輯和特效編輯，在對特效的順序，保存等操作時就用到了特效鏈，特效則是對期更具體的編輯。最后是保存和應用，在實際的應用操作中，正是通過讀取特效中的數(shù)據(jù)進行的渲染[11]。流程設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 HDR算法實現(xiàn)

2.1 算法分類

色調映射算法現(xiàn)階段可分為兩種，空域不變（Spatially Uniform）和空域變化（Spatial Varying）。 前者算法的開銷少，步驟簡單，對圖像進行采樣來分出亮度等級，然后再在這些信息的基礎上按需要重新映射。但對于同一條變化曲線不能夠自適應不同區(qū)域，會導致圖像在各方面上的損失[12]。后者算法針對前者的缺點，對不同區(qū)域進行不同變化，將每個像素和周圍像素相聯(lián)系，使圖像更加分明真實[8]。在實時圖形渲染系統(tǒng)中，局部色調映射使用的最多。

2.2 常見算法對比

文中討論了常見的4種算法，并經(jīng)過了研究和分析，最終通過截圖比對了效果。

1）線性映射算法 （linear mapping）。該算法簡單，效率高，通過關鍵值α來調節(jié)亮度[13]，但實際上并不真實。其公式如下

其中，α的含義是一種壓縮變量，即要想場景保證清晰，有明顯的對比度，就要進行α壓縮。

2）Reinhard算法。該方法在非線性的映射下將整個圖像的動態(tài)范圍展示出來。式（2）為將高亮度值進行壓縮的公式

3） 改 進 的 Reinhard算 法 （The modified Reinhard’s operator），該算法是對（2）的不足提出的改進方法，公式如式（3）所示

其中令常量Lwhite=2.5，是為了彰顯對比度。但在較高的動態(tài)范圍場景使用也會有損失。

4）自適應對數(shù)映射算法。該算法方程如式（4）所示

這個映射保證將所有的值均映射到[0，1]范圍內[14]，但過度的壓縮也會丟失對比度，當X>2或X>10時，將產(chǎn)生夸張的結果，以及考慮在實際應用中，得到其最終方程如式（5）所示：

該方法被用來映射所有的值，但配置較為困難。

2.3 實驗結果對比及分析

圖2為實驗結果對比圖，其中圖（a）為原始圖像，圖（b）為線性映射效果，圖（c）為 Reinhard 算法效果，圖（d）為改進的Reinhard算法效果[12]。從圖中的差別可以看出，圖（d）清晰明亮，場景真實感強，因此在后處理特效中采用此算法[6]。

3 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)搭建完成后，對系統(tǒng)的編輯模塊和特效渲染模塊功能做了測試，測試該系統(tǒng)的是一臺普通PC機，并沒有較高的配置要求[2]。

圖2 實驗結果對照圖

1）編輯模塊測試。

特效編輯測試結果：后處理特效編輯器的特效鏈編輯部分和特效屬性編輯部分功能全部實現(xiàn)預期效果。

2）特效渲染測試

為了效果明顯，將令bloom的參數(shù)值為0.85[13]，由圖可明顯看出精靈翅膀的亮度區(qū)域發(fā)生了溢出。正是由于采用了高動態(tài)渲染技術，使整個圖片的亮暗分明，更加美觀。

由圖8可見，打開控制特效開關后，視點以外的運動模糊效果便體現(xiàn)出來，并在使用了高動態(tài)渲染技術后，圖片更加明亮。

圖3 特效鏈編輯測試截圖

圖4 刪除功能測試截圖（刪除前）

圖5 刪除功能測試截圖（刪除后）

4 結束語

文中通過對基于圖像的三維后期處理系統(tǒng)的功能出發(fā)，設計了系統(tǒng)框圖以及系統(tǒng)實現(xiàn)流程，同時介紹了實現(xiàn)該系統(tǒng)的核心，高動態(tài)渲染技術[9]，對比了算法實現(xiàn)的優(yōu)劣，并最終驗證了該系統(tǒng)的可實現(xiàn)性，在現(xiàn)在的實時圖像渲染中[16]，該處理已成為不可或缺的一部分，其能使圖片更加逼真，真實，給人視覺上帶來享受，因此具有較大的發(fā)展前景。

圖6 特效屬性編輯測試截圖

圖7 bloom開關閉效果對比圖

圖8 關閉特效控制開關

圖9 打開特效控制開關

[1]石炎生，吳華意.基于圖像繪制技術及其應用前景[J].湖南理工學院學報:自然科學版，2004，17（4）:31-34.

[2]王俊杰.基于圖像繪制虛擬現(xiàn)實關鍵技術研究[D].上海:復旦大學，2003.

[3]Geczy，George，"2D Programming in a 3D World[C].Developing a 2D Game Engine Using DirectX8 Direct3D，"Gamasutra，June 2001.

[4]McReynolds， Tom， David Blythe，Brad Grantham，andScottNelson，SIGGRAPH 99 Advanced Graphics Programming Techniques Using OpenGL course notes[C]//1999.

[5]Schaufler，Gernot.Dynamically Generated Impostors[J].GI Workshop on"Modeling-VirtualWorlds-Distributed Graphics，"D.W.Fellner， ed.， Infix Verlag， 1995：129-135.

[6]邱建雄，趙躍龍，楊瑞元.基于圖像的建模和繪制技術綜述[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2004，25（5）:908-912.

[7]RandimaFemando.GPU精粹:實時圖形編程的技術技巧和技藝[M].姚勇，王小琴，譯.北京:人民郵電出版社，2006.

[8]Swets D L，Weng J J.Using discriminant eigenfeatures for image retrieval[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence， IEEE Transactionson，1996，18（8）:831-836.

[9]Shakhnarovich G，Moghaddam B.Face recognition in subspaces[M].Springer London，2011:19-49.

[10]Cunado D，Nixon M S，Carter J N.Using gait as a biometric，via phase-weightedmagnitude spectra[C].Springer Berlin Heidelberg，1997:93-102.

[11]WangY， LiuJ， TangX.Robust3D face recognition by local shape differenceboosting[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence，IEEE Transactions on，2010，32（10）:1858-1870.

[12]Ratha N K，Karu K，Chen S，et al.A real-time matching system for large fingerprintdatabases[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence，IEEE Transactions on，1996，18（8）:799-813.

[13]Yun E K，Cho S B.Adaptive fingerprint image enhancement with fingerprint imagequality analysis[J].Image and Vision Computing， 2006，24 （1）:101-110.

[14]欒尚敏，李未，馬紹漢.算法框架:算法重定位的一種可操作的方法[J].軟件學報，1999，10（7）:679-684.

[15]Jain A， Hong L， Bolle R.On-line fingerprint verification [J].Pattern Analysisand Machine Intelligence， IEEE Transactions on， 1997，19（4）:302-314.

[16]Nalwa V S.Automatic on-line signature verification[J].Proceedings of the IEEE，1997， 85（2）:215-239.

Study on the effect system of image based three dimensional post-processing

FANG Qiang
（Shaanxi National Defense Industrial Vocational and Technical College of Art College， Xi'an 710300，China）

This paper according to the code of some special effects rendering written into the program，design a post-processing effects editor system， the system in the visual editor interface， using high dynamic range rendering techniques，will be able to image 3D effects processing various fusion rendering.In the test of the system shows that the system can be in the visual editor under the fusion of a variety of special effects in the image，so that the image is more realistic and vivid.

High dynamic range； post processing effects； editor； visualization

TN99

A

1674－6236（2017）12-0157-04

2016-05-15稿件編號：201605140

房 強（1982—），男，天津人，講師。研究方向：圖形圖像、數(shù)字媒體技術、平面設計。