特殊服装面料渲染算法.pdf

第 35 卷 第 6 期 计算机辅助设计与图形学学报 Vol.35 No.6 2023 年 6 月 Journal of Computer-Aided Design&Computer Graphics Jun.2023 收稿日期:2021-11-10;修回日期:2022-04-01.基金项目:国家重点研发计划(2017YFB1002600);国家自然科学基金(61732015);宁波市“科技创新 2025”重大专项(2020Z007).朱浩栋(1997),男,硕士研究生,主要研究方向为计算机图形学、计算机视觉;刘郴(1973),男,博士研究生,主要研究方向为数字化服装设计、布料动画;金小刚(1969),男,博士,教授,博士生导师,论文通信作者,CCF 杰出会员,主要研究方向为计算机动画、虚拟现实.特殊服装面料渲染算法 朱浩栋,刘郴,金小刚*(浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室 杭州 310058)()摘 要:服装数字化是近年来服装行业发展的方向之一.服装面料的材质极其多样,然而常用的基于物理的渲染存在较大的局限性.基于此,提出对于多种不同特殊光学特性的面料渲染算法.其中,特殊面料是内嵌金属丝面料、侧光织物面料、镭射面料和闪粉面料4种面料.针对内嵌金属丝面料,使用额外的纹理数据来记录并模拟金属丝的形状;针对侧光织物面料,根据视线方向以及入射方向与法线的夹角修正散射光的强度,使得面料拥有更加真实的侧面光感;针对镭射面料,将观察角与一种额外的镭射颜色相关联,并将其与原有的纹理颜色融合;针对闪粉面料,提出一种计算模型用于随机生成闪粉的位置,通过网格划分的方式达到实时的计算效率.将所提算法渲染结果与实际拍摄结果进行对比的结果表明,该算法的结果接近于真实;侧光织物面料和镭射面料已经被商业应用于国产三维服装设计软件 Style3D 中.关键词:实时渲染;特殊材质渲染;各向异性渲染;面料渲染 中图法分类号:TP391.41 DOI:10.3724/SP.J.1089.2023.19491 Rendering Methods of Special Clothing Fabrics Zhu Haodong,Liu Chen,and Jin Xiaogang*(State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University,Hangzhou 310058)Abstract:Clothing design is one of the development directions of garment industry in recent years.The ma-terials of clothing fabrics are extremely diverse while physically-based rendering has major limitations.Based on this,this article studies a variety of fabrics with special optical properties.The special fabrics studied are four kinds of fabrics:metal wire hybrid fabrics,fabric with side light,laser fabrics and glitter fabrics.For metal wire hybrid fabrics,this article uses additional texture data to record and simulate the shape of the metal wire;for fabric with side light,this article corrects the intensity of the scattered light ac-cording to the direction of the line of sight and the angle between the incident direction and the normal,so that the fabric has a more real sense of side light;for laser fabrics,this article associates the viewing angle with an additional laser color,which is blended with the original texture color.For glitter fabrics,this article proposes a calculation model for randomly generating the position of glitters and the model can achieve re-al-time calculation efficiency through grid division.After comparing the rendering results of the algorithm in this article with the actual shooting results,it can be found that the rendering results are close to the real.The side light fabrics materials as well as the laser fabrics materials have been used in the three-dimensional clothing design software Style3D.第 6 期 朱浩栋,等:特殊服装面料渲染算法 831 Key words:real-time rendering;special material rendering;anisotropic rendering;fabric rendering 近年来,互联网相关的各类产业发展快速.其中,有不少面向消费者的产业充分发挥了互联网的即时性,为人们生活提供了大量便捷;也有一类互联网产业是为生产者提供工具,大幅提升了各类产业的生产效率.例如,包括土木、汽车行业在内的制造业,其工作基本难以离开绘制图纸、建模以及受力计算的辅助软件;与绘画相关的视觉行业也逐渐借助各类绘画以及动画软件.相对而言,CAD 软件在服装设计行业中的起步较晚.在服装生产中,CAD 软件能够帮助缩短设计周期,增添设计的空间1-2.由于服装生产工艺种类丰富多样,服装面料往往具有更加规则的微表面以及独特的光学特性,这给服装的渲染提出了诸多难题.此外,为了使得渲染的结果更具参考价值,其对真实性的要求也比游戏等行业的要求更高.因此,当前对于服装渲染模拟存在一些急需解决的问题:服装面料的种类繁多,穷举所有面料既不现实,也会使得软件难以上手.设计师通常会需求一种泛用的面料模型,能够微调参数来逼近现实中面料的光学特征,此时,依赖光线追踪3-4的离线渲染算法的效率难以满足实时调整参数的需求,只能使用前向渲染或延迟选择等实时渲染算法;个位数量的材质模型无法涵盖庞大数量的面料种类,有些面料的光学特性差异极大,常用的BRDF(bidirectional reflectance distribution function)模型5-6无法实现对其的渲染;即使面料带有较为规则的微表面,由于实时性要求的限制也无法对微表面进行详细的建模,需要考虑其他渲染方案.针对内嵌金属丝、侧光织物、镭射和闪粉 4 种面料,本文提出了不同的实时渲染模型.(1)针对内嵌金属丝面料,使用传入额外的纹理来近似记录和模拟金属丝的形状,同时考虑面料弯曲导致的金属丝暴露、光的衍射和随机性.(2)针对侧光织物面料,为实现真实的面料侧面光感,修改了散射光照模型,根据纹理的颜色亮度和面料的吸收率进行额外的修正.(3)提出一种镭射面料渲染模型,将原有的物理光照模型和额外的镭射渲染结果进行混合,并且为用户设计了多种用于对渲染结果进行快速调整的参数.(4)提出闪粉面料渲染模型,用随机双向曲线散射分布函数计算闪粉的位置.该模型不传入额外的纹理数据,仅通过实时建立网格的方式快速地计算并得到了每个像素位置的闪粉不透明度与亮度,为用户提供了随机色相的参数.1 相关工作 目前,与本文所研究的特殊材质相类似的材质主要有毛绒材质、各向异性材质和镭射材质等.1.1 毛绒材质 本文研究的侧光织物面料中,其侧面光感主要来源于面料表面的细小毛绒.相关研究中,实时计算效能最好的是通过一种壳结构或者类似壳结构的算法模拟毛发的建模.2006 年,Yang 等7使用壳模型建模毛发,通过记录毛发的多个横截面数据对毛发进行建模,并实现了简易的交互式建模;2012 年,Ukaji 等8也使用壳模型对毛发进行建模.其将一张图片根据亮度反算出不同分层的壳模型;2015 年,Jiao 等9隐式地记录毛发的模型,而不是分层地去记录每一层壳结构,得到了不错的渲染效果,既有一定的建模真实性,又能在一定程度上表现出毛发的特性,还能通过纹理动画的方式完成毛发动画的效果,关键是该算法有较好的实时计算效率,能够在手机端实时计算.体渲染是另一种常见的对毛发进行建模的手段,该算法固然需要较大的计算代价,但其渲染的结果较为真实,毛发的形状和部分的光学特性均有所表现.2009 年,Jiao 等10研究风化后的毛发效果渲染,使用体渲染的算法对毛发进行建模,并通过对体素进行模拟计算,得到了非常真实的渲染效果.基于毛发解析建模和光线追踪的算法,2017年,Yan 等11-12提出使用近场和远场的反射率建模来渲染毛绒的算法,通过对毛发进行解析建模,并使用光线追逐和双向曲线散射分布函数进行渲染.该模型考虑了毛发的内部结构对其光学特性的影响,使得渲染结果更亮,也更加接近真实.此外,也有一些仅针对织物表面的毛绒相关研究.2015 年,Khungurn 等13研究面料中线的微结构极其和光的交互;2016 年,Zhao 等14提出一种对微观建模织物的算法,建模了一种带有飞散线的织物模型,使得织物的表面有了毛绒的质感;2017年,Luan 等15提出对文献14进行改进,不再通过显式的算法对织物线进行建模,极大地节省了内存的开销;2021 年,Xu 等16提出多尺度的微结构832 计算机辅助设计与图形学学报 第 35 卷 建模算法,从不同尺度观察织物,其算法逐渐从微结构建模的方式过渡到平面渲染的方式;2020 年,Montazeri 等17对织物建模时还考虑了各向异性的光交互与传输过程,使得其渲染结果和物理测量所得到的结果十分接近.1.2 各向异性材质 服装作为人造物,加工工艺所导致的微表面的规律性使得其各向异性成为服装面料的重要特质.最简单、直接的各向异性计算算法是测量和记录,通过测量各个方向的反射率来记录材料的光学特性.测量依赖于精密的仪器,在渲染中也要占据一定的内存空间.2004 年,Takeda 等18提出一种基于测量的各向异性的纺织物建模算法,仅收集垂直于布料的反射率数据,并基于此预测布料的微表面结构,最后得到预测的面料反射率;虽然该反射率和真实测量的反射率在精度上有一定的误差,但是在定性上反映了各向异性的特点.Wang等19提出一种新的建模技术,根据单个视图捕获的数据对各向异性反射率在空间上的变化进行可视化建模,其可以保留 BRDF 在空间和方向上的细节,与被测材料相近;Guo 等20使用深度生成卷积网络训练并生成参数图,更大化地利用测量得到的图片资源.通过函数表达式近似模拟材质的光学特性,可以隐式地表达材料的微表面结构特点,是另一种表现各向异性的手段.2013 年,Xu 等21提出一种被广泛应用在各向异性光照计算的球高斯函数;2015 年,Filip22使用心理物理学研究了 4 类材料的各向异性特征,以及光照对人类各向异性感知的影响,结果表明,各向异性在不均匀光照下更明显;2018 年,Zeltner 等23提出多层各向异性计算的各种混合模式,以更好地体现不同的材质效果;2020 年,Yamaguchi 等24提出一种多层的各向异性算法,通过记录每一层在切线空间中的各向异性分布,模拟带有多层涂层的材料的各向异性特点,该算法能够达到实时计算.最后,可以使用直接建模体现微表面结构,从而体现材质的微表面结构;但通常都需要使用光学追踪的渲染算法,导致较大的计算开销而不能满足实时渲染的要求.2014年,Iwasaki等25提出一种基于光线追踪的微表面算法,使用微圆柱模型模拟布料的线,并通过基于距离场的预计算算法优化渲染速度.1.3 镭射材质 镭射材质使用类似于全息照相的原理,通过特殊的加工工艺,使材料能够在不同角度呈现设计好的反射率和反射波段.镭射材质也是一种特殊的各向异性材料,但与常见的各向异性材质不同,其不仅是因微表面结构在不同角度出现反射率的差异,而且还选择了反射的波段,被称作光学各向异性材质.镭射材质包括防伪的彩虹图案以及彩虹全息的贴纸等,从不同角度可以看到颜色变化.2013 年,Levin 等26提出一种新型光学模型,为镭射材质获得更大的空间分辨率,与已有的几何光学算法几厘米宽的特征相比,该模型有了一个数量级的提升;2017 年,Werner 等27提出一种用于渲染划痕的光照模型,通过分析划痕所产生的衍射图样进行相干性叠加,并将表面的划痕记录为线段的集合,最终能够做到近距离时的衍射效果和远距离时的效果的平滑过渡;2018 年,Toisoul等28测量了常见平面空间变化全息表面的衍射效应;2020 年,Steinberg29研究基于电磁学理论光学各向异性介质的精准渲染,完全解析地得到了光传输的微分方程,其提出的新渲染框架能够准确、实时地渲染液晶等具有空间变化光学特性的光学各向异性材料.1.4 闪粉材质 microflakes30-33,glints34-36等是常见的闪烁随机模型.Wang 等37-38改进了 glint 模型,降低了搜索模型的维度,大幅度降低了计算成本,并提出一种GPU 预滤波模型,以支持闪烁的计算模型;2020 年,Wang 等39提出用于构造适当频率信号的技术,能够识别并在场景的前景和后景分别进行采样.2 本文算法 本文针对 4 种面料提出 4 种实时渲染模型及其算法.2.1 内嵌金属丝面料的渲染算法 内嵌金属丝面料是以一种在织物中混合编织进金属丝的面料,鉴于面料是混合编织的,仅有部分金属丝被暴露.为了表现出内嵌金属丝的各向异性,把金属丝的形状信息记录在纹理中并传入给着色器完成渲染.纹理中记录的必要数据包括金属丝的方向、金属丝在长度方向上的百分比、赋予某段金属丝的随机数以及金属丝的不透明度 4个信息.2.1.1 内嵌金属丝几何修正 记录了金属丝形状的必要信息后,就可以通第 6 期 朱浩栋,等:特殊服装面料渲染算法 833 过计算在原有法线的基础上进行修正,得到正确的金属丝法线信息.修正法线需要的参数有金属丝方向和金属丝长度方向的百分比.法线修正分长度方向和宽度方向 2 个部分.(1)修正计算金属丝沿着长度方向的斜率为 3344lengthlengthlength20.0 abs()(81.0)YXX(1)其中,lengthX表示金属丝长度方向的百分比.式(1)设定了金属丝的高度在金属丝的长度方向上的变化函数.(2)修正金属丝沿着宽度方向的斜率.因为金属丝宽度非常小,可能甚至不到 1 个像素,所以使用同长度方向不同的算法,用观察角近似替代宽度方向上的位置.相当于假设被观察到的金属丝位置是射向金属丝中心的射线与金属丝的交点.计算得到的金属丝宽度方向的斜率为 32width0.6324 sin0.2736 sin 3.9538 sin3.0474Y(2)其中,表示观察角度的大小.2.1.2 内嵌金属丝随机性修正 为了使金属丝的形状更具不规则性,对金属丝的亮度进行随机修正.根据观察角在纹理平面的角度进行修正,该角度为 0360.假定 0,90,180和270这4个主方向角度作为4个正态分布的分布中心,并以观察角在纹理平面上的角度作为正态分布计算的变量进行计算,第i个方向上的接近程度计算公式为 2.00.125 0.25 0.03eRisiK(3)其中,R表示金属丝被分配的随机数,该随机数是一个生成贴图时产生的随机值.强度修正系数的计算结果为 2.01.03 0.4random0eDsiiKK(4)其中,D表示固定方向单位向量和观察方向单位向量的点乘计算结果.2.1.3 内嵌金属丝光照模型 金属丝面料的光照模型是将金属丝亮度的渲染结果和原有光照模型的渲染结果相加.金属丝渲染的光照模型为 metalWirerandompbrfKf(5)表示金属丝的双向反射分布函数.其中,pbrf表示面料非金属部分的双向反射分布函数(如 PBR(physically-based rendering)中所使用的函数).金属丝的渲染使用标准 PBR 模型,其金属度取 1、粗糙度取 0,计算时法线使用修正后的金属丝法线.2.2 侧光织物面料的渲染算法 织物面料是通过编织而成的,其中不少织物表面会有织线所附带的细毛绒,这些细毛绒会强化织物侧面的散射.本文定义3种亮度修正系数对这种侧面增强的现象进行修正.2.2.1 侧光织物光照增强修正系数 光照增强修正系数是主要的修正系数,其代表了侧面光照增强的程度,计算公式为 22tan/tan/1.01.0e1.0eKnlnvn(6)其中,n 表示面料法向量,v 表示光线入射向量,l表示光学反射向量;nl和nv分别表示入射角和反射角的大小;和表示调整侧面光效果的参数,影响侧面光的强度,可开放让用户调整,影响侧面光的范围,取 0.6 左右.2.2.2 侧光织物深色纹理修正系数 因纹理颜色本身有亮度的区别,当侧面光强度相同时,更亮的纹理颜色的侧面光感也更强.深色纹理修正的目的是为了消除该影响,侧光织物深色纹理修正系数由标准 PBR 模型的中间变量 diffusebaseCmC(7)计算得到.其中,baseC表示面料纹理颜色;m 表示标准 PBR 模型中的金属度.侧光织物深色纹理修正系数的计算公式为 diffusecolordiffuse1.00.950.05VKV(8)其中,diffusediffusediffusediffusemax(,)VRGB (9)diffuseR,diffuseG和diffuseB分别表示diffuseC的色值.2.2.3 侧光织物吸收率修正系数 带有间隙的毛绒对光的吸收程度低,会有一定泛白的感觉,修正后颜色值计算公式为 diffusediffusewhite0.950.05CCC(10)其中,whiteC表示纯白色.2.2.4 侧光织物光照模型 侧光织物的光照模型相当于改写标准 PBR 模型公式中的中间变量diffuseC,公式为 diffusediffusecolordiffuseCCK KCn(11)2.3 镭射面料的渲染算法 镭射面料会随观察角度而改变颜色.本文选取 5 个镭射颜色值,并根据观察视角来变换颜色.834 计算机辅助设计与图形学学报 第 35 卷 2.3.1 镭射面料颜色计算 镭射面料颜色随观察角而变化,其公式为 lasercolor(1)Cfn v(12)其中,n v 表示面料法线方向单位向量与观察方向单位向量的点乘计算结果;colorf表示计算镭射颜色所使用的函数,5 个颜色对应 5 个输入值,即 color()(1,2,5)iifxCi(13)其中,iC表示第i个颜色值;ix表示该颜色对应的函数输入值.假设ix的大小是按照下标i从小到大有序的,即1(1,2,4)iixxi,当输入值不等于5 个颜色的对应输入值时,会对颜色值进行插值.插值计算公式为 colormixcolormixcolor1()()(1)()iifxfxfx (14)其中,x 表示输入值,满足条件1iixxx;mix 表示插值的权重,这是一个三维向量,分别表示RGB 的 3 个颜色通道权重,即 mixmix1iiixxfxx (15)镭射颜色的位置可以通过手动设置或者使用函数进行调整,例如,直接设定位置为0,0.04,0.16,ix 0.36,0.64,1,2,5;i 则这 5 个值取自函数曲线 yx(16)其中,取0,0.2,0.4,0.6,0.8,1,2,5ixi且取2得到的y值.2.3.2 镭射面料缩放比例系数 将式(12)调整为 lasercolors1Cfn v(17)其中,s表示缩放比例,用于调整颜色变化的频率.缩放比例越小,则颜色变化的频率越大.2.3.3 镭射面料光照模型 镭射面料的光照模型是渲染光照模型的加权混合.其中,一个光照模型可以是任意光照模型,不受到镭射相关参数影响;而另一个则是标准PBR模型,其纹理颜色为镭射颜色,粗糙度为用户可调整的镭射粗糙度,金属度固定为 1.2.4 闪粉面料的渲染算法 闪粉面料是表面随机附着大量闪亮粉末的面料.闪粉的密度是一个用户可调整的参数,如果使用贴图来记录每一个闪粉颗粒,那么在用户拖动参数时需要重新生成贴图并传入着色器,难以达到实时的性能.本文提出解决闪粉位置的实时随机生成算法.2.4.1 闪粉面料网格划分 本文使用网格划分二维空间,该空间的 x 与y的值均介于 01,仅在网格顶点的位置有可能产生闪粉.闪粉的数量越多,网格划分也会越为精细,从而不会被察觉到网格的存在.对于正在渲染的像素,纹理坐标可以被映射到二维空间的坐标,即 mod(,1.0)iuvPP(18)其中,表示缩放比例.本文实验中,像素着色器的纹理坐标 uv 值取值不局限于 01,超出部分按照循环纹理来计算,即当1.2u 时,相当于取0.2u.式(18)中所做的坐标映射只是在缩放比例之后添加了纹理的循环.遍历纹理坐标映射位置附近的网格点,根据每个网格点位置到纹理映射位置的距离,以及该网格点是否有闪粉来计算纹理映射位置闪粉的亮度.采用高斯函数计算每个网格点距离的变化带来的亮度影响,距离影响的强度修正系数计算公式为 222 0.28radius0eirRinK(19)该系数受到和网格点之间的距离影响.其中,i表示在纹理坐标映射位置附近有i个带有闪粉的网格点;ir表示所映射的坐标位置到网格点位置的距离;R表示闪粉的半径.2.4.2 闪粉面料随机分布 随机生成闪粉位置的第 1 步是辨别每个网格点是否存在闪粉,本文使用高斯函数进行确定.高斯函数将输入一个由点位置的二维坐标所决定的随机数.强度修正系数用高斯函数分布表示为 222 0.007eixiK(20)它考虑了半径以及随机分布的影响.其中,ix表示第i个闪粉被分配的随机数.闪粉占总网格的比例越大,网格越容易被察觉,算法不会改变高斯分布的参数,而网格的细度将决定闪粉数量.随机值和时间无关,故镜头静止时渲染效果不变.随机分布计算完成后,可以得到一个同时考虑了半径和随机分布的强度修正系数计算公式 222 0.280eirRiinKK(21)2.4.3 闪粉面料光照模型 金属丝面料的光照模型是原有光照模型和闪第 6 期 朱浩栋,等:特殊服装面料渲染算法 835 粉部分的光照模型的加权混合.闪粉部分的光照模型为 glitterradiuspbrradiusbase(1)fKKfKf(22)其中,pbrf表示标准 PBR模型,其纹理颜色为用户设定的闪粉颜色,金属度和粗糙度均为 0.5.basef表示闪粉所附着面料的材质,可以是任意常见材质的光照模型.加权混合的过程中,闪粉部分的权重radiusK为式(19)计算得到的距离影响的强度修正系数,其值在最大值 1.0 处截断.3 实验及结果分析 本文将 4 种特殊面料的渲染结果与拍摄照片或现有的类似光照模型进行对比.在实验环境下,4 种特殊面料均实现了实时渲染.3.1 实验环境 本文实验使用 Intel Core i7-9750H 2.60 GHz CPU,NVIDIA GeForce RTX 2060 GPU,16.0 GB内存.本文实验在国产三维服装设计软件 Style3D 的IDE 版本上进行,该软件的实时渲染方法为前向渲染,使用的图形渲染接口为 OpenGL.3.2 内嵌金属丝面料实验 内嵌金属丝的实验分为实物对比和与其他算法对比 2 个部分.3.2.1 内嵌金属丝面料实物对比 实验采用的实物被平整地放置于暗环境中,使用垂直于面料表面的打光,使用相机从实物的正面和2个侧面进行拍摄.在软件中同样使用暗幻觉、平整的面料和垂直于面料表面的平行光,镜头置于面料的正面和侧面.对比结果如表 1 所示.可以看出,由于环境光使用的是普通的基于 HDR 图像的光照,其光线强度仅与法线相关,因此面料平 表 1 不同角度的平整内嵌金属丝面料对比 角度 面料 正面 偏左侧 偏右侧 照片 渲染 整时,面料上的环境光强度是均匀的;并且由于实际拍摄的照片存在相机的各项硬件参数问题,也使得照片和肉眼观测本身也存在差异.3.2.2 内嵌金属丝面料算法对比 目前,完成内嵌金属丝面料的常用可替代方案是使用金属度和光滑度贴图.本文算法的渲染结果与使用金属度和光滑度贴图的算法对比如图1 所示.a.金属度和光滑度贴图 b.本文算法 图 1 2 种算法的渲染结果对比 使用金属度贴图加上光滑度贴图的算法最大的不足之处是未考虑各向异性,仅在特定角度观察时金属丝才出现亮光,而现实中内嵌金属丝面料的亮光是较为散乱的.3.3 侧光织物面料对比实验 侧光织物面料的对比实验分为 3 个部分:(1)贴在圆柱体木桩上的面料实物与渲染的对比实验;(2)整件衣物的实物与渲染的对比实验;(3)先进算法的渲染结果对比实验.3.3.1 侧光织物面料实物对比 将贴在圆柱体木桩上的实物面料在较为均匀的自然光照下进行拍摄,再将圆柱体面料在相似的环境光下进行渲染;分别对2张结果图进行一定程度的模糊处理,对比结果如图 2 所示.a.实物面料照片 b.渲染结果 图 2 侧光织物面料照片与渲染结果对比 图 3 所示为拍摄和渲染的亮度值曲线的变化对比图,能对光照的相近程度进行更加精准的比较.其中,亮度为 RGB 值,介于 0255;横坐标中,圆柱体两侧从左到右值为11,中心点值为 0.计算得到 2 条亮度曲线的相关系数高达 0.989.3.3.2 侧光织物面料整件服装对比 为了验证渲染的整体效果,对整件衣物进行对比.图4所示为整件织物的照片与其较为相似的 836 计算机辅助设计与图形学学报 第 35 卷 图 3 侧光织物面料照片与渲染结果亮度分布图 a.纯棉 T 恤照片 b.渲染结果 图 4 纯棉 T 恤照片和相近模型渲染结果对比 建模的渲染图的对比.可以看出,图 4a,图 4b 中侧面光的强度和范围均不大,有较为相似的效果.3.3.3 侧光织物面料算法对比 本文算法与 McAuley 等40提出的类似算法进行对比,渲染结果如图 5 所示.可以看出,由于 McAuley 等40的算法未对深色纹理与吸收率进行修正,因此增强光不泛白,并且其强度与纹理相关.a.McAuley 等40 b.本文 图 5 2 种算法渲染结果对比 3.4 镭射面料对比实验 镭射面料的对比实验包括2部分:首先对比贴在圆柱体木桩上的面料实物与其渲染的结果;其次对比整件衣物与其渲染的结果.由于没有类似的镭射面料算法,因此不进行与其他算法的渲染结果对比.3.4.1 镭射面料实物对比 为了使镭射面料的颜色分布更明显,实验中将实物处于较为均匀的环境光下;同样地,在软件中用均匀的环境光贴图,并将镭射面料的颜色的位置分布和色彩变化调整至与实物接近.进行拍摄时,由于实物的环境光照无法确保完全均匀,使得渲染结果和照片会有较多的差别.实物与渲染的对比结果如图6所示,验证了使用本文的光照模型能够实现和实物近似的颜色变化和位置分布.a.镭射面料照片 b.渲染结果 图 6 镭射面料照片和渲染结果对比 从图6可以看出,虽然渲染的颜色分布和实物颜色分布有所不同,但是较为接近;参数不论如何调整,若仅依赖缩放比例或颜色值则难以得到与现实完全一致的颜色分布,但从便捷角度看,用户仅需要调整 2 个参数就能够得到和实物足够接近的效果.3.4.2 镭射面料整件服装对比 为了验证渲染结果和实物在整体上能够达到足够的相似程度,进行整件服装实物的对比实验.图 7 所示为整件镭射的服装照片与相似模型的渲染图.可以看出,由于镭射渲染结果和模型的褶皱程度有极大的关联,因此实物和渲染模型均选取了带有褶皱的衣服,这也使得其颜色分布不规律而有美感.a.镭射面料服装照片 b.渲染结果 图 7 镭射面料服装照片和相近模型渲染结果对比 3.5 闪粉面料对比实验 闪粉面料的对比实验包括2部分:首先对比贴在圆柱体木桩上的面料实物与其渲染的结果;其次对比整件衣物与其渲染的结果.由于没有类似的闪粉面料算法,因此,未与其他算法的渲染结果进行对比.3.5.1 闪粉面料实物对比 将闪粉面料置于室内较为杂乱的光照环境下,第 6 期 朱浩栋,等:特殊服装面料渲染算法 837 而在软件中同样分布较为不均匀的环境光贴图,经过调整使闪粉的数量和颜色参数与实物接近.实验的目的是验证该光照模型能够通过参数调整得到与实物照片相似的渲染结果.图8所示为实物与渲染的对比结果,从图 8b 可以看出,闪粉的分布和照片中的分布极其相似.a.闪粉面料照片 b.渲染结果 图 8 闪粉面料照片和渲染结果对比 3.5.2 闪粉面料整件服装对比 为了验证整体衣物的渲染效果足够接近真实,对比了整件服装实物的照片和相近模型的渲染结果,如图 9 所示.可以看出,仅比较闪粉位置相关的特性时渲染结果和实物较为相近,由于整件衣服均使用该类面料的服饰十分少见,服装中除了闪粉以外还具有其他特性,导致整体感觉存在差异.a.闪粉面料服装照片 b.渲染结果 图 9 闪粉面料服装照片和相近模型渲染结果对比图 4 结 论 本文分析了内嵌金属丝、侧光织物、镭射和闪粉4种面料的光学特点,对于每种面料均提出且实现了实时渲染的光学模型.侧光织物面料是4种面料中最常见的一种面料,现实中绝大部分的织物均会存在不同程度的侧面光感;相对而言,在服装材料中,内嵌金属丝面料、镭射面料以及闪粉面料则较为少见.但是,作为一个成熟的服装设计辅助软件,对特殊面料的支持是不可缺少也难以避免的需求点.本文也简单介绍了部分面料使用时,用户可调整的参数、渲染的效果以及渲染结果和实物的对比.渲染实现时,本文通过研究和观察发现,4 种面料的光学特性均来源于其微小的特殊表面结构,然而由于受到实时性需求的限制,进行实现时4种面料均未对这些微小的结构真正地进行建模:内嵌金属丝通过纹理来巧妙地记录了能够描述金属丝位置形状的必要信息;侧光织物面料改进了原有的散射光计算公式,并提出修正光照增强的分布函数;镭射面料在观察和研究的基础上给出颜色变化曲线,在面料原有的渲染结果上将新的镭射渲染结果进行混合;闪粉材料则将闪粉的位置实时随机地生成,不借助传入任何的纹理信息并达成了良好真实的渲染结果.实验中一般分为 2 种情况:(1)现状较为规则的圆柱体面料和其渲染结果进行对比.目的是尽快地验证光照模型的准确性;(2)整件服装的对比.目的是验证渲染能够在整体上满足真实性的要求.在上述4种面料的光照模型中,侧光织物面料和镭射面料目前已被实际应用在国产三维服装设计软件 Style3D 中.参考文献(References):1 Zhu Liping.Application of computer aided design in fashion designJ.Light and Textile Industry and Technology,2020,49(12):172-173(in Chinese)(朱丽萍.计算机辅助设计在服装设计中的应用探索J.轻纺工业与技术,2020,49(12):172-173)2 Yang Shuai.Application of 3D clothing technology software in todays clothing industryJ.Shandong Textile Economy,2020(10):25-27(in Chinese)(杨帅.3D 服装技术软件在当今服装行业中的应用J.山东纺织经济,2020(10):25-27)3 Cook R L,Porter T,Carpenter L.Distributed ray tracingC/Proceedings of the 11th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques.New York:ACM Press,1984:137-145 4 Li T M,Aittala M,Durand F,et al.Differentiable Monte Carlo ray tracing through edge samplingJ.ACM Transactions on Graphics,2018,37(6):Article No.222 5 Kajiya J T.The rendering equationC/Proceedings of the 13th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques.New York:ACM Press,1986:143-150 6 Zhang C,Wu L F,Zheng C X,et al.A differential theory of ra-diative transferJ.ACM Transactions on Graphic,2019,38(6):Article No.227 7 Yang G,Sun H Q,Wang W C,et al.Interactive fur modeling based on hierarchical texture layersC/Proceedings of the 2006 ACM International Conference on Virtual Reality Con-tinuum and Its Applications.New York:ACM Press,2006:343-346 8 Ukaji H,Kosaka T,Hattori T,et al.Acquiring shell textures 838 计算机辅助设计与图形学学报 第 35 卷 from a single image for realistic fur renderingC/ACM SIGGRAPH 2012 Posters.New York:ACM Press.2012:Arti-cle No.100 9 Jiao S H,Tong X F,Li E,et al.Dynamic fur on mobile using textured offset surfacesC/ACM SIGGRAPH 2015 Posters.New York:ACM Press.2015:Article No.34 10 Jiao S H,Wu E H.Simulation of weathering furC/Proceedings of the 8th International Conference on Virtual Reality Continuum and Its Applications in Industry.New York:ACM Press.2009:35-40 11 Yan L Q,Jensen H W,Ramamoorthi R.An efficient and prac-tical near and far field fur reflectance modelJ.ACM Transac-tions on Graphics,2017,36