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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳思穎
研究生(外文):Shih-Ying Chen
論文名稱:著色技術在三維即時繪圖環境之研究與應用-以瞳孔適光性模擬為例
論文名稱(外文):Study of Human Visual Adaptation Based on Shader Technology in Real-Time 3D Rendering
指導教授:范丙林范丙林引用關係
指導教授(外文):Ping-Lin Fan
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北教育大學
系所名稱:玩具與遊戲設計研究所
學門:電算機學門
學類:軟體發展學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:81
中文關鍵詞:頂點著色像素著色色調再生瞳孔適光性
外文關鍵詞:Vertex shader、pixel shader、tone reproduction、tone mapping、lighting adaptation
相關次數:
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隨著硬體與各種繪圖技術的快速發展之下,以往一些技術困難的即時三維繪圖技術,已可有效地利用可程式化流程中的著色技術代替固定函式流程,以達到在三維環境底下即時地繪製呈現。
這樣的技術可發揮至遊戲、虛擬實境與互動式多媒體中。當一個影像顯示在螢幕上,觀看者做動作或反應,而這個回饋產生影響到下一個影像,在顯示與反應間發生的循環中,其速度快速到觀看者察覺不出來個別的影像,這就是電腦繪圖中互動與即時的過程。本論文將透過著色技術在三維即時繪圖環境下的技術為基礎,進而應用於瞳孔適光性的模擬。
本論文主要的研究方向為以著色技術中頂點著色、像素著色與繪圖技術中高動態範圍影像(High Dynamic Range Image, HDRI)、色調再生(Tone reproduction)等相關圖學的研究為基礎,並配合人類視覺系統(Human visual system)對光的適應性,在這些技術的應用與圖學演算法中,進行分析與探討,以達到模擬瞳孔適光性之研究。在本研究中並建立一個三維的虛擬繪圖環境,根據瞳孔對於光暗的適應性,以頂點著色與像素著色技術來產生模擬場景明暗變化的效果。
Due to the fast development of hardware and graphic technologies, the transforming, lighting, and texturing in fix rendering pipeline can be replaced with programming shader used in some rendering graphic technologies and plentiful graphic effects in real-time 3D environment also can be achieved.
In this study, a method which simulating the human visual system for lighting adaptation with the pupil of the eyes has been proposed. This study integrates the related graphic techniques, such as High Dynamic Range Image (HDRI)、tone reproduction and the human visual system, with the vertex shader and the pixel shader to simulate the lighting adaptation effect in the human visual system.
A visual 3D rendering environment, built with vertex and pixel shader, which can produce effect with scenes changing in dark and light cases. This study simulates the dazzling light and the human visual system for light adapting with multiple-pass rendering technique. Comparing with the method proposed by Reinhard et al., this study improves the deviation in varieties of color, and separates the lighting adaptation range from the original system to achieve more real effect.
目 錄
第一章 緒論 1
第一節 簡介 1
第二節 研究動機與目的 3
第二章 文獻探討 5
第一節 三維繪圖流程 5
第二節 著色技術 6
第三節 人類視覺系統適應作用之研究 13
第四節 高動態範圍影像技術研究 16
第五節 色調再生技術研究 20
第三章 研究方法與實作架構 26
第一節 研究方法 26
第二節 瞳孔適光性模擬 30
第三節 研究範圍與限制 31
第四章 著色技術應用於瞳孔適光性模擬 32
第一節 高動態範圍影像模擬 32
第二節 瞳孔的適應作用模擬 37
第三節 亮部過濾與高斯模糊 41
第四節 色調調整技術 47
第五章 研究結果與討論 51
第一節 研究結果 51
第二節 研究討論 53
第六章 結論與建議 61
第一節 結論 61
第二節 研究貢獻與建議 62
第三節 未來研究方向 62
參考文獻 64
附錄一 實作的效能測試數據 68


圖 次 目 錄
圖1-1 模擬光影柔化的效果 3
圖1-2 模擬日光與光影柔化的效果 3
圖2-1著色流程概念的基本架構 6
圖2-2 三維幾何傳輸管道 6
圖2-3 著色技術撰寫工具 7
圖2-4 可程序化著色技術與固定函式之對照 8
圖2-5 頂點著色流程 9
圖2-6 頂點著色虛擬機器 9
圖2-7 基本處理流程 10
圖2-8 像素著色流程 11
圖2-9 像素著色虛擬機器 12
圖2-10 人類視覺系統亮度適應範圍 13
圖2-11 模擬視覺適應作用的過程 14
圖2-12 暗適應的過程 15
圖2-13 取得HDRI的過程 16
圖2-14 Radiance RGBE Encoding(HDR) 18
圖2-15 SGL LogLuv(TIFF) 18
圖2-16 ILM OpenEXR(EXR) 18
圖2-17 高動態範圍影像著色過程 20
圖2-18 色調再生的基本概念 21
圖2-19 運用色調再生技術的效果 21
圖2-20 區域系統概念圖 24
圖2-21 真實世界中之區域系統 25
圖3-1 高斯模糊示意圖….……….…….……………...…………….28
圖3-2 瞳孔適光性模擬架構圖 30
圖4-1 高動態範圍模擬架構圖 ……………………………………..33
圖4-2 RGB channel 之16位元浮點數格式 33
圖4-3 Downsample概念圖 34
圖4-4 高斯模糊實作於著色技術概念 34
圖4-5 曝光控制折線圖 35
圖4-6 模擬高動態範圍效果 36
圖4-7 縮小影像示意圖 37
圖4-8 取對數運算折線圖 37
圖4-9 平均明視度畫面 38
圖4-10 平均明視度取指數運算折線圖 39
圖4-11 亮度範圍運算結果 40
圖4-12調整畫面呈現明暗變化圖 41
圖4-13 將整體畫面亮度降低之示意折線圖 42
圖4-14 將明暗對比強烈的影像調回0~1之間折線圖 43
圖4-15 Offset值大小效果比較折線圖 43
圖4-16 亮部過濾效果 44
圖4-17 高斯模糊像素點搜尋 44
圖4-18 高斯模糊的效果 45
圖4-19 色度校正 46
圖4-20 過度曝光控制與高動態範圍轉成低動態範圍影像 48
圖4-21 暗部細節比較圖 49
圖4-22 亮部曝光效果圖 50
圖5-1 測試曲線(低解析度)………………………….…………..…52
圖5-2 測試曲線(中解析度) 52
圖5-3 測試曲線(高解析度) 53
圖5-4 大自然的光暈模擬效果 54
圖5-5 大自然的光暈模擬效果 55
圖5-6 瞳孔適應作用模擬畫面(Reinhard等學者) 56
圖5-7 瞳孔適應作用模擬畫面(本研究) 57
圖5-8 亮適應與暗適應過程(本研究) 59




表 次 目 錄
表2-1 HDRI編碼標準的比較 17
表5-1 效能測試對照表 ……………………………………… …….51
黃宏富、張蓺英(民94)。高動態範圍影像壓縮之研究。國立成功大學電機工程系博士班 資料壓縮與多媒體通訊實驗室,未出版,台南市。
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