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虚拟灯光的渲染拟真怎么做? ——研究发现:产生发光错觉的光晕

gecimao 发表于 2019-08-17 17:12 | 查看: | 回复:

  原标题:虚拟灯光的渲染拟真怎么做? ——研究发现:产生发光错觉的光晕存在关键梯度区间

  电子屏幕的亮度相较于一般照明灯光的亮度存在两个数量级的差异,然而我们可以利用视知觉上模拟光晕形成的发光错觉(glare illusion)来渲染更真实的虚拟灯光。那么怎样的光晕梯度才有最好的拟真效果呢?华东师大心理与认知科学学院蒯曙光团队首次对此问题进行了定量研究。实验结果表明:光晕梯度必须在不过于陡峭也不过于平缓的特定区间内,才会产生发光错觉。这一关键梯度区间应用于虚拟灯光渲染后,在显示屏和虚拟现实头戴显示器上同样得到了验证。此外,这一关键区间被发现与日常经验中的实际光晕梯度和不同光源数码照片的光晕梯度分布上存在高度重合,暗示发光错觉可能根源上来自日常经验。

  从文字到2D图像到3D模型,人类构建数字虚拟世界的拟真度和代入感越来越强,而虚拟现实技术的愿景之一,就是以逼真的效果、沉浸的体验,让人们能够跨越时空的界限,轻松联结起来。然而受限于硬件上的差异,我们不可能做到物理参数上的完美还原,而必须借由对感知觉的了解,尽可能地去模拟真实体验。

  具体到虚拟灯光而言,受限于电子屏幕的最高亮度,虚拟灯具并不会有与现实相匹配的发光感。因此,如果能利用好已知的发光错觉,掌握如何尽可能真实地模拟灯具的发光感,将有助于进一步提高数字虚拟世界的拟真度。

  虽然研究的思路并不复杂,但想要做好这个课题,需要团队成员熟悉包括光学、计算机图形学、心理学等多学科的知识,掌握一定的数学建模、实验设计与数据统计、2D和3D图形渲染、自然图像统计等技术。蒯曙光研究员带领研究生团队建立了虚拟现实实验室(VR Lab),招收不同学科背景的学生互相交流、学习、合作,并在此基础上探索各种交叉的研究问题与方法,才最终使得这一研究项目迎来成功。

  具体而言,研究首先选用幂函数对光晕梯度进行操纵,得到被试对16个水平的图像上多大程度产生了发光感的评价。报告的数据随幂的增加可由高斯函数拟合,即反映了除坐落于关键梯度区间范围内以外,过缓或过陡的光晕梯度都无法产生发光错觉,因此也无法简单由对比度或能量这样常见的初级视觉特征所解释。

  基于这一结果,后续实验分别在显示屏和虚拟现实头戴显示器上将一系列光晕梯度用于多种虚拟灯具的渲染,并要求被试作适宜度的排序评分。排序评分结果与之前的结果高度一致,关键梯度区间内的评分总是最高的。因此,在渲染虚拟灯光时,需要注意将光晕梯度控制在这一范围内,以尽可能提高虚拟环境的拟真程度。

  研究在理论和应用之间的偏废,往往是许多争议的根源。心理学作为一门在公众眼里既神秘,又往往显得有些不接地气的学科,如何走好一条理论辅助应用、应用反哺理论的良性循环,一直是蒯曙光研究员和其研究生团队特别关心的问题。实际上,任何科技在最终实现大规模应用时,都必须经过一个从物理到心理的过程,而这个过程又往往伴随着心理上能动地去调整、适应新环境。在建立虚拟现实实验室的过程中,蒯曙光研究员和其研究生团队围绕各类虚拟现实技术与理论上的不懈探索与积极开拓,是对这一思考的最好实践。

  虚拟灯光的渲染拟真虽然意图上以应用为主,但在研究过程中,通过比对实际光晕梯度和不同光源数码照片的光晕梯度分布,发现其与关键梯度区间的实验数据高度吻合。这意味着视知觉上之所以会形成发光错觉,很可能与日常生活中的经验息息相关。这类较为具体的、高级的视觉特征如何一步步通过神经计算产生一种抽象的知觉,最终又形成一种更普遍的视错觉,对于我们理解视觉认知的原理也有重要的意义。

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