ACM通信
技术视角:织物与光的复杂舞蹈
不同的材料，除了颜色之外，是什么赋予了它们独特的外观?在过去的几十年里，这个基本问题催生了计算机图形学的一个分支，它可以真正被称为一门科学:探索复杂材料与光的相互作用。和任何科学一样，这种理解来自于复杂的数学建模和详细的实验工作的结合。
当光遇到任何材料时，它可能被反射、散射或吸收。生成精确和可信的计算机图形渲染需要再现这些交互的算法。在最简单的系统中，光如何从一个表面反射的模型是非常不真实的，使所有的表面具有塑料外观，这已经成为计算机图形学的常见联系。解决这个问题，尤其是面料，需要一系列的概念飞跃，导致更复杂的模型和更复杂的算法。
首先，有必要放弃面料是表面的观念。虽然我们说的是一块布的“表面”，但对光线的真实模拟需要把布当作一个很小但绝对不是零厚度的体积。这个体量由纤维填充，所有这些纤维都可以散射或吸收光线。因此，我们必须从一个渲染系统，其中光被认为是从表面反射，到一个它是分散在体积内。虽然体绘制通常被用于半透明物体的建模，如云或大理石，甚至是人的皮肤，但直到最近几年，研究人员，如以下论文的作者，才了解以这种方式建模布料的重要性。一个体积模拟可以产生一个“看起来正确”的外观，不仅从远处看，而且在极端特写。
一旦我们接受了织物将被建模为纤维的集合，就有必要在空间中确定所有这些纤维的位置。在某些情况下，纤维是有序的，如在编织或编织。在其他地方，比如felt，它们是随机排列的。多年来，我们在图形领域的唯一选择就是编写程序来模拟这些排列，这需要对算法和每一种新织物的无数参数进行调整。
本文创造性地解决了这一问题，利用实际面料样品和micro-CT成像技术。这是自20世纪90年代中期以来图形学的一个重要趋势:使用新的成像和采集技术(从数码相机到3D扫描仪，甚至是工业核磁共振成像仪)来捕捉现实世界的复杂性，这些复杂性很难用分析方法或简单的算法来建模。
作者展示了一个最先进的例子，说明算法、数学和测量如何结合在一起，以帮助我们理解面料如何与光相互作用。
最后，我们必须模拟光被每个单独的光纤散射和吸收的方式。在这里，作者结合了理论和实验。他们提出了一种分析模型，该模型与基础物理(例如，能量守恒)相一致，同时具有许多未知的自由参数。这些参数依次被选择，以使渲染(包括全体积光散射模拟和测量的纤维排列)与实际织物照片的统计数据相匹配。当然，这一过程允许适当的实验程序，其中参数符合一张照片的预测结果，可以与另一张照片进行比较。
以下论文的作者展示了一个最先进的例子，说明算法(用于体积光散射模拟)、数学(指示散射如何发生在体积中的单个点)和测量(micro-CT获得纤维排列)如何结合起来帮助我们理解织物与光的相互作用。这篇论文不仅概括了理解外观的现代方法，还介绍了新的理论和实验工具，这些工具将转化为许多其他类型的材料。
数字图书馆是由计算机协会出版的。版权所有©2014 ACM股份有限公司