● 摘要
现实世界中物体表面材质是多种多样的，逼真地表现物体表面丰富的光照反射信息是虚拟现实、计算机视觉和计算机图形学领域重要的研究内容。通过表面材质反射属性的获取和建模，可以获得大量不同模型表示的不同材质的反射属性。对于表面材质丰富的各种真实物体来说，其材质的使用存在检索困难；缺乏分类，不易管理；无法编辑及加工等问题。通过建立材质库系统，可以方便的对材质管理；使用材质库中真实材质进行艺术创作，或利用已有材质进行新材质的创作与合成。研究真实材质表面反射属性获取和建模的理论方法和关键技术，构建可视、可编辑、可管理的材质库系统，对促进真实感属性建模在数字化技术领域的应用具有重要的科学意义和应用价值。本文在国家自然科学基金项目“真实物体表面属性建模与渲染技术研究（60773153）”、北京市自然科学基金项目“物体表面复杂材质反射属性建模技术研究 (4102037)”和教育部人文社会科学研究一般项目（11YJCZH064）资助下取得了如下研究成果：(1) 分析了材质分类及建模方法。首先，分析了自然界材质的分类方法；其次，使用6种最常用的参数化各向同性双向反射分布函数（BRDF，Bidirectional Reflectance Distribution Function）模型对多达100种的真实数据进行建模；最后，对参数化各向同性BRDF模型的建模效果进行比较分析。(2) 实现并改进了基于光度图（Photometric Stereo）的几何与表面多材质反射属性建模方法。首先，实现了一种基于光度图和色彩空间理论的材质分割算法；其次，改进了一种“离散搜索”算法，求解法向量图、材质权重图；最后，实现了一种带约束的迭代优化算法，求解各向同性的参数化BRDF材质基。(3) 实现并改进了基于微面片（Micro-facet）模型的各向异性材质反射属性建模方法。首先，利用绸缎类材质的特性，实现了微面片模型的求解方法；其次，改进了一种基于微面片模型的单材质建模方法；最后，利用单材质建模方法，实现了一种基于微面片模型的多材质建模方法。(4) 设计并实现了真实材质库。实现材质分类、存储和浏览模块，以及多材质的动态分割模块等。关键词：材质库，光度图，反射属性建模，双向反射分布函数