CN105787990B

CN105787990B - 材料的着色cg表现

Info

Publication number: CN105787990B
Application number: CN201610164559.7A
Authority: CN
Inventors: 彼得·奥格尼安诺夫·米特夫; 伊瓦伊洛·卡特夫·伊利耶夫; 伊万琳·扬科夫·约尔丹诺夫
Original assignee: Chaos Software Ltd
Current assignee: Chaos Software Ltd
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2019-10-22
Anticipated expiration: 2035-05-14
Also published as: US8982126B1; US20150332497A1; US9235927B2; AU2015201456C1; KR20150132031A; EP2977960B1; JP5813900B1; JP2016027487A; CN105096374A; KR20160029059A; CN105787990A; ES2932404T3; EP3079122A1; CA2924144C; EP3079122B1; DK3739549T3; JP6138880B2; DK2977960T3; EP3739549A1; AU2015201456B1

Abstract

方法、***和装置，包括在计算机存储介质上编码的计算机程序，用于着色材料的计算机图形(CG)表现。方法之一包括获得描述物理材料的数据；从渲染引擎接收用于着色所述物理材料的CG表现中的特定点的着色请求，其中，所述请求识别所述特定点的映射位置、在所述映射位置处的观看方向以及在所述映射位置处的光方向；使用所述多个调色板化的图像来计算在所述映射位置处的直接照明颜色；使用描述所述物理材料的所述数据来计算在所述映射位置处的间接照明颜色；通过将所述直接照明颜色和所述间接照明颜色相组合来生成在所述映射位置处的最终颜色；以及将所述最终颜色提供给所述渲染引擎，用于在渲染所述物理材料的所述CG表现中使用。

Description

材料的着色CG表现

本申请是申请日为2015年5月14日、国家申请号为201510245691.6的、发明名称为“材料的着色CG表现”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本说明书涉及材料的着色计算机图形(CG)表现。在渲染材料的CG表现的处理期间，基于所渲染的场景的所需照明，可以使用一个或多个着色技术来确定例如材料的表面的颜色和亮度。

发明内容

一般地，本说明书中所述的主题的一个创新方面可以体现于一种装置中，所述装置包括具有用于发射光的透镜的光源；多个第一平面镜，其中所述光源可被移动以直接照亮多个第一平面镜的每个平面镜；样本支持，被配置为在多个第一镜和光源之间挂起材料样本，其中所述样本支持定位为使得第一镜中每个从不同视角反射材料样本的相应的视图；以及接近光源的相机，并且被配置为当光源定位为直接照亮每个平面镜时捕捉反射材料样本的第一镜的相应的图像。

这些和其他实施例每个都可以可选地包括下面特征中的一个或多个。发射的光可以是校准的光。直接照亮第一平面镜可以包括从光源的透镜发射光，所述光被第二镜反射以与第一平面镜相交。相机可以进一步被配置为将图像提供给***，用于生成用于着色材料样本的计算机图形表现的数据结构。第一平面镜可以是阵列的，使得第一平面镜的相应的表面限定椭圆体。材料样本的中心可以位于通过获取穿过椭圆体中心且沿着椭圆体半轴的椭圆体的截面而形成的椭圆的第一焦点处。相机可以位于椭圆的第二焦点处。光源可以安装在旋转盘上。

一般地，本说明书中所述的主题的另一创新方面可以体现于包括下述动作的方法：获得多个第一图像，其中每个第一图像包括多个区域，其中每个区域对应于多个镜中的相应的镜且包括由对应的镜反射的材料的第一样本的反射图像，并且其中所述多个镜限定椭圆体；对于每个第一图像：通过从第一图像中提取与该区域相对应的反射图像而生成第一图像中每个区域的相应的区域图像，其中每个区域图像包括相应的多个区域图像像素，并且调色板化每个区域图像；以及将每个调色板化的图像提供给计算机图形(CG)渲染引擎，用于在着色材料的CG表现中使用。

这个方面的其他实施例包括对应的计算机***、装置和记录在一个或多个计算机存储设备上的计算机程序，每个都被配置为执行所述方法的动作。

一个或多个计算机的***可以被配置为通过将软件、固件、硬件或这些的组合安装在操作中的***上使得***执行动作，而执行特定操作或动作。一个或多个计算机程序可以被配置为通过包括指令，当所述指令被数据处理装置执行时使得装置执行动作，而执行特定操作或动作。

这些和其他实施例可以每个可选地包括下述特征中的一个或多个。方法可以进一步包括获得几何形状校准数据和颜色校准数据，用于校准多个第一图像。生成第一图像中每个区域的相应的区域图像可以包括：使用几何形状校准数据来从第一图像中提取与该区域相对应的反射图像；以及使用颜色校准数据来调整反射图像的颜色以生成区域图像。方法可进一步包括对于每个区域图像像素：将多个镜所限定的椭圆体划分为第一数目的扇区，其中材料所反射的光线具有落在每个扇区中的相等概率，将每个扇区划分为第二数目的块，其中材料所反射的光线具有落在每个块中的相等概率，并且生成具有多个单元格的表，其中表中每个单元格存储识别椭圆体的相应的块的中心的数据。方法可以进一步包括将用于每个区域图像像素的表提供给渲染引擎，用于在确定在材料的CG表现上的间接照明的效果中使用。将多个镜限定的椭圆体划分为第一数目的扇区可以包括迭代地累积椭圆体的表面的子划分的局域概率。每个子划分的局域概率可以是被椭圆体的表面的平均亮度所划分的子划分的局域亮度。将每个扇区划分为第二数目的块可以包括迭代地累积扇区的子划分的局域概率。该方法可以进一步包括获得多个第二图像，其中每个第二图像是对应的镜所反射的材料的第二更大样本的直接图像，并且其中每个第二图像包括相应的多个第二图像像素；为每个第二图像像素确定相应的最类似区域图像像素；以及存储将每个第二图像像素与第二图像像素的对应的最类似区域图像像素相关联的映射。每个第二图像可以在相应的角度拍摄，并且其中每个相应的角度对应于多个镜中相应的镜反射材料的第一样本的角度。为每个第二图像像素确定相应的最类似区域图像像素可以包括：为每个区域图像像素和每个第二图像像素确定相应的签名；以及基于签名选择最类似区域图像像素。为每个区域图像像素和每个第二图像像素确定相应的签名可以包括：计算像素的高度和预定数目的像素的邻居的高度；以及基于高度计算像素的签名。为每个区域图像像素和每个第二图像像素确定相应的签名可以包括基于颜色匹配来为像素计算签名。基于签名选择最类似区域图像像素可以包括从第二图像像素中选择具有签名的区域图像像素作为最类似区域图像像素，该签名具有与第二图像像素的签名的最小距离。

本说明书中所述的主题的特定实施例可以被实施以便实现下述优点中的一个或多个。材料的CG表现可以被有效地着色而不用获得大样本物理材料的多个高分辨率图像。具有复杂和变化纹理的材料的表现可以被有效地着色。材料的表现可以使用更少的数据且以更短的时间量来有效地着色。

一般地，本说明书中所述的主题的另一创新方面可以体现于包括下述动作的的方法：获得描述物理材料的数据，其中，描述物理材料的数据包括所述物理材料的第一样本的多个调色板化的图像，其中，每个所述调色板化的图像包括多个镜的相应的镜所反射的所述物理材料的第一样本的相应的反射图像；从渲染引擎接收用于着色所述物理材料的计算机图形(CG)表现中的特定点的着色请求，其中，所述请求识别所述特定点的映射位置、在所述映射位置处的观看方向以及在所述映射位置处的光方向；使用所述多个调色板化的图像来计算在所述映射位置处的直接照明颜色；使用描述物理材料的数据来计算在所述映射位置处的间接照明颜色；通过将所述直接照明颜色和所述间接照明颜色相组合来生成在所述映射位置处的最终颜色；以及将所述最终颜色提供给所述渲染引擎，用于在渲染所述物理材料的所述CG表现中使用。

这些和其他实施例每个可以可选地包括下面特征中的一个或多个。所述多个镜的位置限定了半球。所述方法可以进一步包括：生成多个镜的位置所限定的半球的Voronoi图，所述多个镜的每个都从不同视角反射位于所述多个镜之上的材料样本的视图；生成二维表，该二维表包含多个单元格，其中，每个单元格被相应的水平和垂直角对映射到所述半球；以及对于每个单元格：在与所述单元格相对应的所述水平和垂直角对处的椭圆体的表面上构建圆圈，以及存储多个(位置,权重)对作为与所述单元格相对应的数据，包括：随机地定位所述圆圈内的预定数目的点，对于每个点，确定每个点的相应的最接近的镜，对于每个镜，确定将所述镜作为该点的最接近的镜的点的计数，以及确定每个镜的相应的(位置,权重)对，其中，所述位置标识所述镜，并且所述权重是通过将对所述镜的点的计数除以所述预定的数目来确定的。

使用所述多个调色板化的图像来计算在所述映射位置处的直接照明颜色可以包括：识别与观看方向相对应的所述二维表中的第一单元格；识别与光方向相对应的所述二维表中的第二单元格；使用存储在所述第一单元格和所述第二单元格中的所述(位置,权重)对来确定第一贡献调色板化的图像和第二贡献调色板化的图像；从所述第一贡献调色板化的图像提取第一像素以及从所述第二贡献调色板化的图像提取第二像素；以及使用所提取的像素以及用于所述第一和第二单元格的权重来确定所述直接照明颜色。从每个贡献调色板化的图像提取像素可以包括通过将所述映射位置的坐标翻译为每个贡献调色板化的图像中的位置来提取所述像素。使用所提取的像素和权重来确定所述直接照明颜色可以包括：确定所述第一像素的颜色和所述第二像素的颜色；基于用于选择所述第一贡献调色板化的图像的所述(位置,权重)对中的权重来对所述第一像素的颜色进行加权；基于用于选择所述第二贡献调色板化的图像的所述(位置,权重)对中的权重来对所述第二像素的颜色进行加权；以及将加权的颜色求和以确定所述直接照明颜色。生成Voronoi图可以包括识别椭圆体中每个点的最接近的镜，其中，所述最接近的镜是具有从所述点到所述镜的中心的最短距离的镜。生成Voronoi图可以进一步包括将共享相同的最接近的镜的每个点指派到Voronoi图中的相同区。在表面上构建圆圈可以包括从覆盖Voronoi图中至少两个区的每个可能圆圈中选择具有最小半径的圆圈。描述物理材料的数据可以包括在第一区域图像中的第一像素的KxM的表，其中，所述第一区域图像对应于所接收到的观看方向，其中，所述第一像素对应于所接收到的映射位置，并且其中，所述表的每个单元格包含所述多个镜所限定的椭圆体的相应的块的中心的位置。

使用描述物理材料的数据来计算在所述映射位置处的间接照明颜色可以包括：确定在所述映射位置处的第一间接照明颜色，包括：生成从0到K的范围中选择的第一非整数随机数；生成从0到M的范围中选择的第二非整数随机数；使用所述第一随机数和所述第二随机数来对所述表进行索引以识别绑定所述第一随机数和所述第二随机数的单元格；识别在所识别的单元格中包含的位置；组合所述位置以生成最终位置；以及追踪由所述最终位置所限定的方向上的光线以确定所述第一间接照明颜色；以及至少部分地基于所述第一间接照明颜色来计算在所述映射位置处的所述间接照明颜色。至少部分地基于所述第一间接照明颜色来计算在所述映射位置处的所述间接照明颜色可以包括使用所述第一间接照明颜色作为所述间接照明颜色。至少部分地基于所述第一间接照明颜色来计算在所述映射位置处的所述间接照明颜色可以包括：计算一个或多个其他间接照明颜色；以及将所述一个或多个其他间接照明颜色与所述第一间接照明颜色相组合来生成最终间接照明颜色。

在附图和下面的描述中阐述了本说明书的主题的一个或多个实施例的细节。通过描述、附图和权利要求，主题的其他特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是用于着色物理材料的计算机图形(CG)表现的示例***的高级别图示。

图2A是示例材料样本扫描仪的图。

图2B图示说明了材料样本扫描仪内的组件的示例配置。

图3是光源-相机组件的底部的图。

图4示出了镜组件从上面看的视图。

图5是材料样本扫描仪生成的示例镜图像。

图6是用于生成用于确定材料的CG表现的直接照明的调色板化的图像的示例技术的流程图。

图7是用于生成用于确定材料的CG表现的间接照明的效果的数据结构的示例技术的流程图。

图8是用于校准由材料样本扫描仪产生的图像的几何形状和颜色的示例技术的流程图。

图9是用于生成直接图像中的像素和镜图像中的像素之间的映射的示例技术的流程图。

图10是用于计算给定映射位置处的最终颜色的示例技术的流程图。

图11A是用于确定在给定映射位置处的直接照明的效果的示例技术的流程图。

图11B示出了示例Voronoi图。

图12是用于确定在给定映射位置处的间接照明的效果的示例技术的流程图。

各个附图中相似的附图标记和名称表示相似的元素。

具体实施方式

图1是用于使用材料的物理样本来着色物理材料例如木材、织物、皮革或金属的计算机图形(CG)表现的示例***100的高级别图示。

***100包括渲染引擎106。渲染引擎106例如使用常规技术来渲染图像或动画。通常，渲染引擎106从准备的场景中，例如基于模型或其他渲染标准，来生成图像或动画。作为渲染处理的一部分并且为了说明物理材料的CG表现上的渲染的场景的所需照明条件的效果，即为了准确地描绘三维模型中物理材料的图像，渲染引擎106可能需要从着色模块108获得CG表现的着色信息。着色模块108可以是例如渲染引擎106的插件软件部件。

着色模块108从渲染引擎106接收对着色信息的请求，渲染引擎106识别要着色的材料、要着色的映射位置即图像的三维模型的UV映射中的位置、用于映射位置的观看方向以及在映射位置处的光方向。映射位置可以用例如UV坐标来表示。响应于请求，着色模块108使用从材料建造者***104获得的数据而确定在映射位置处的最终颜色并且将最终颜色提供给渲染引擎106以渲染。为了确定映射位置处的最终颜色，着色模块108确定在该位置处的直接和间接照明的效果。直接照明是从光源提供的照明，没有来自其他表面的反射。间接照明是通过来自其他表面的光的反射而提供的照明，即来自围绕场景中对象的表面的从直接光源提供的光的反射。确定给定映射位置处的最终颜色在下面结合图10更详细描述。

材料建造者***104可以实现为在一个或多个地理位置在一个或多个数据处理装置(例如，个人电脑、服务器、平板电脑、智能电话等等)上执行的计算机程序指令。材料建造者***104接收材料样本扫描仪102所生成的物理材料的样本的图像并且生成用于着色模块例如着色模块108在材料的着色CG表现中使用的数据结构。生成用于确定在直接照明下对材料的着色CG表现的直接照明效果的数据在下面结合图6来描述。生成用于确定对材料的着色CG表现的间接照明的效果的数据在下面结合图7来描述。

材料样本扫描仪102是生成给定材料的物理样本的图像并且将其提供给材料建造者***104的装置。材料样本扫描仪102所生成的每个图像包括样本的变化视图和照明方向的多个图像。材料样本扫描仪的示例在下面结合图2来描述。

图2A是示例材料样本扫描仪200的图。材料样本扫描仪200是生成材料250的样本的图像的装置。通过图示，材料可以是一块织物、木材、皮革、毛皮、地毯、金属、玻璃、塑料、这些组合、或其他材料。样本250的尺寸可以是例如大约一英寸乘以一英寸。其他样本大小是可能的。通常，样本250将是在渲染期间被着色的材料的一小部分。

扫描仪200包括光源-相机组件240。光源-相机组件240包括光源202和相机208。光源202包括发射指向镜210的光的透镜，该镜210朝向镜组件215反射光。

镜组件215包括一组平面镜204。镜204被安排使得它们限定椭圆体。也就是，镜204定位为使得镜的反射表面大约是椭圆体的外表面的一部分。通常，镜的反射表面的尺寸大于样本250的尺寸。例如，如果样本的尺寸是一英寸乘以一英寸，则每个镜可以是两英寸乘以两英寸。

光源202能够移动以直接照亮每个镜204。也就是，光源202能够径向移动，且光源202的角度、镜210的角度、或二者，能够被调整以便在光源202的径向位置以及光源202和镜210的角度的某些组合，每个镜的反射表面直接由光源的透镜所发射的光所照亮并被镜210反射。在图2的图示示例中，例如，光源202定位为使得光源202所发射的示例光线225被镜210反射并且直接与平面镜204之一的反射表面相交。为了光源202能够移动以照亮每个镜，光源202可以安装在旋转盘220上并且在允许光源202沿着盘的半径横穿的轨迹上。光源可以是例如平行光源，即产生平行光线的光源，即近似彼此平行的光线。

镜组件215还包括样本支持206。样本支持206被配置为在扫描仪200内的一组镜204和光源202之间挂起样本250。特别是，样本支持206被配置为挂起样本，使得样本背向光源202且样本的中心近似在镜204所限定的椭圆299的一个焦点处，即通过使得椭圆体的截面通过其中心而形成的且沿着其半轴之一的椭圆299。通过在这个配置中定位镜204和材料样本250，当光源202直接照亮任何一个镜204时，每个镜204将以相应的角度反射样本的图像。在一些实现中，样本支持206进一步被配置为允许样本沿着一个或多个轴旋转。

相机208位于接近光源202。例如，相机208可以近似位于样本的中心之上。特别是，相机208可以近似位于椭圆299的另一焦点处。相机208相对于一组镜204和样本250的定位在下面结合图2B更详细描述。

在一些实现中，相机208被配置为响应于请求，例如从材料建造者***例如图1的材料建造者***104接收的请求，捕捉镜204的图像。特别是，当光源202被定位以直接照亮每个镜时，相机208可以捕捉镜204的相应的图像。例如，如果有40个位置和40个镜，相机208可以被配置为捕捉40个图像，每个图像包括样本的40个反射图像，光源被定位以直接照亮镜中相应的一个。在镜204正在反射样本支持206所支持的样本250的图像时，样本250的反射图像是镜204之一的图像。尽管具有40个镜的扫描仪200被用作示例，但是任何数目的镜以及由此的图像都是可能的。

一旦已经捕捉了镜的图像，图像可以被提供给材料建造者***以处理。在一些实现中，在被材料建造者***处理之前，图像被转换为特定格式，例如OpenEXR格式。在其他实现中，材料建造者***处理以它们被相机204捕捉的格式的图像。

图2B图示了图2A的材料样本扫描仪200内的部件的示例配置。椭圆299被示出由图2A的一组镜204来限定。材料样本250定位于椭圆299的第一焦点处，即最接近一组镜204的焦点。相机208位于椭圆299的另一焦点处。作为示例，椭圆299的长轴299a，即通过样本250和相机208的轴，可以约120厘米长，并且短轴299b可以约66厘米长。在这个示例中，材料样本250和相机208之间的距离约为50厘米。但是，其他尺寸也是可能的。

图3是图2A的光源-相机组件240的底部的图。光源-相机组件240包括光源202，其定位以发射反射出镜210朝向一组镜例如图2A的一组镜204的光线。光源202安装在旋转盘220上以便允许光源202能够径向移动。如上所述，光源202的角度、镜210的角度、或二者，都可能是可调整的。光源-相机组件240包括孔275。相机，例如图2A的相机208，可以在孔上定位。

图4示出图2A的镜组件215从上面看的视图。镜组件215包括一组平面镜204。如上所述，该组平面镜204中的镜定位为使得镜的反射表面接近椭圆体的外表面的一部分。镜组件215还包括样本支持206。样本支持206被配置为使用支持臂292在一组平面镜204上挂起样本。尽管从上面看的视图中不可见，样本挂起在样本支持206的下面。支持臂292定位为使得它们不妨碍从在镜组件215上定位的相机拍摄的图像中的一组平面镜204中任何镜的视图。

图5是材料样本扫描仪例如图2A的材料样本扫描仪200所生成的示例镜图像500。镜图像500包括一组区域，例如区域502，每个区域对应于包含一组平面镜例如图2A的一组镜204中的相应的镜的反射的图像500和样本支持504的顶侧的图像的区域。每个区域包括要被着色的材料的样本的相应的反射图像。镜图像500是当光源例如图2A的光源202直接照亮一组镜中的一个镜且样本被样本支持所挂起时生成的图像。例如，当拍摄镜图像500时，光源可能已经直接照亮与镜图像500中的区域502相对应的镜。在此情况下，区域502将包括当直接由光源照亮时被对应镜所反射的样本的反射图像。

图6是用于生成用于确定材料的CG表现的直接照明的效果的调色板化的图像的示例技术600的流程图。为了方便，技术600将被描述为由位于一个或多个位置的一个或多个数据处理装置的***来执行。例如，被适当编程的材料建造者***，例如图1的材料建造者***104，可以执行技术600。

***校准602颜色以及可选地，校准材料样本扫描仪例如图1的材料样本扫描仪102产生的图像的几何形状。用于校准几何形状和颜色的示例技术将在下面结合图8来描述。作为校准处理的结果，***生成颜色校准数据，其识别要应用于材料样本扫描仪所产生的图像中的反射图像的颜色变换，并且可选地，***生成几何形状校准数据，其识别材料样本扫描仪所产生的图像中的反射图像的位置。

***获得604材料样本扫描仪所生成的一组镜图像。每个镜图像，例如图5的镜图像500，包括一组区域，每个区域对应于一组镜例如图2A中的一组镜204中的相应的镜。每个区域例如图5的区域502包括要被着色的材料的样本的相应的反射图像。通常，一组镜图像将包括与该组镜中的镜的数目相同数目的镜图像，一组镜图像包括在光源直接照亮该组镜中不同镜时所拍摄的图像。

对于每个镜图像，***使用颜色校准数据以及可选地还使用几何形状校准数据来为镜图像中每个区域生成606相应的区域图像。***通过从每个区域中提取反射图像来生成区域图像。特别是，***使用几何形状校准数据中识别的位置，或者如果没有执行几何形状校准，通过识别直接来自镜图像的区域的位置，来提取镜图像中每个区域的内容。

作为生成区域图像的一部分，***生成使用镜的位置来限定半球的数据。也就是，***使用识别镜的位置的数据来确定每个镜中心相对于材料样本或光源的相应的角度。***随后使用这些角度来限定具有预定半径的半球，例如半径为一。

可选地，***将每个区域转换为矩形形式。***可以随后基于颜色校准数据来调整每个区域中的每个像素的颜色以便生成区域图像。

***使区域图像调色板化608并且存储610调色板化的图像。通常，使图像调色板化将图像中使用的颜色减少为预定数目的颜色。特别是，***用指向调色板表中单元格的颜色索引来替代每个像素的颜色。调色板表包含在图片中使用的颜色的列表。***可以使用例如常规调色板化技术来使区域图像调色板化。***通过(光,相机)对来对存储的调色板化的图像进行索引，其中每个调色板化的图像的“光”值识别当调色板化的图像被拍摄时被直接照亮的镜，而每个图像的“相机”值识别当调色板化的图像被拍摄时相机位于其上的镜。***可以通过指派每个镜从一到镜总数目的相应的整数来生成镜的识别符。

存储的调色板化的图像可以被提供给着色模块，例如图1的着色模块108，用于确定对材料的CG表现的直接照明。***可以关联于每个图像的对应(光,相机)对来提供调色板化的图像。

图7是用于生成用于确定材料的CG表现的间接照明的效果的数据结构的示例技术700的流程图。为了方便，技术700将被描述为由位于一个或多个位置的一个或多个数据处理装置的***来执行。例如，被适当编程的材料建造者***，例如图1的材料建造者***104，可以执行技术700。

在一些实现中，技术700对从由材料样本扫描仪获得的镜图像中生成的每个区域图像中的每个像素执行。

***将一组镜所限定的半球划分702为第一数目的扇区。特别是，***将半球进行划分，使得材料所反射的光线具有落在每个扇区中相等概率。***可以基于局域概率来构建这些相等概率的扇区，其中每个局域概率是整个半球的平均亮度所划分的局域亮度。图像的任何给定子划分的亮度可以被测量为例如子划分中的红(R)、绿(G)和蓝(B)颜色的平均值，即(R+G+B)/3。

为了将半球划分为扇区，***迭代地累积半球表面的子划分。也就是，***选择半球表面的小的子划分，例如每个子划分为整个半球表面的1/10000。例如，***可以使用预定步长，例如一度，通过沿着每个像素横穿半球表面来选择子划分。

***将每个连续子划分的概率相加，直到相加的概率和为1/K，其中K是希望的扇区的第一数目。***随后将第一扇区限定为和中所包括的子划分的聚集且继续该处理直到每个扇区都被限定。

***将每个扇区划分704为第二数目的块。特别是，***划分每个扇区使得材料所反射的光线具有落在每块相等概率。***可以使用例如与如上所述用于划分半球的相同技术来将每个扇区划分为第二数目的块。

***生成706存储识别每个块的中心的数据的数据结构。例如，如果存在K个扇区，每个被划分为M块，则***可以生成K x M表，表的每个条目中的数据是每个块的中心的位置。

一旦对每个区域图像中的每个像素执行了技术700，***可以将数据结构提供给着色模块，例如图1的着色模块108，用于确定材料的CG表现的间接照明。

除了识别每个像素和调色板化的区域图像的半球的每个块的中心的数据之外，***还可以向着色模块提供识别材料的物理样本的尺寸、每个镜图像中的区域的数目、镜图像中的每个区域的位置的信息以及识别镜所限定的半球的数据。

图8是用于校准材料样本扫描仪(例如材料扫描仪102)所产生的图像的几何形状和颜色的示例技术800的流程图。为了方便，技术800将被描述为由位于一个或多个位置的一个或多个数据处理装置的***来执行。例如，被适当编程的材料建造者***，例如图1的材料建造者***104，可以执行技术800。

***使用具有特定预定图案的采样材料来获得802材料样本扫描仪(例如材料扫描仪102)所生成的镜图像。例如，图案可以是棋盘图案。其他图案也是可能的。

***识别804镜图像中每个区域的初始位置。例如，***可以分析镜图像来使用例如边缘检测技术识别镜图像中每个区域的每个边缘并且确定两个所识别的边缘的每个交叉。每个交叉点可以被识别为区域的角，且区域的位置可以由所识别的边缘和角来限定。

在一些实现中，***基于材料上预定图案来调整806初始位置。特别是，对于每个区域，***执行低频傅立叶分析并且基于傅立叶分析的结果来调整初始位置。***确定给定镜图像中四个最大区域的平均相位和频率并且调整每个初始角的位置以便将其区域的相位均衡到四个最大区域的平均相位和频率。***存储调整后的位置数据作为几何形状校准数据，其识别材料样本扫描仪所产生的图像中的反射图像的位置。在一些实现中，***不生成几何形状校准数据但识别***所处理的每个镜图像中区域的初始位置，例如通过如上所述识别边缘和交点。

***获得808具有纯散射双向反射比分布函数(BRDF)的白色材料的材料样本扫描仪所生成的镜图像。

***从镜图像确定810单位球面BRDF，并且存储数据作为颜色校准数据，其识别要应用于反射图像的颜色的颜色变换。也就是，在被着色模块所使用之前，***可以使用颜色校准数据来归一化材料样本扫描仪所拍摄的图像的颜色。

尽管上面的说明描述了在着色物理材料的CG表现中生成由着色模块使用的数据，上面的数据是基于材料的小样本的镜图像而生成的。在一些环境中，可能有益的是，获得材料的大样本的所谓直接图像并且将映射提供给着色模块，其对于大样本的直接图像之一中的每个像素，识别任何镜图像中最类似该像素的像素。例如，当物理样本包括不重复图案或重复但不能完整在材料的小样本中捕捉的图案时，着色模块可能需要使用所提供的映射来将大样本的像素映射到镜图像中最类似的像素。通常，大样本的表面面积将约为用于生成镜图像的较小样本的十倍。生成映射在下面结合图9来描述。

图9是用于生成直接图像中的像素和镜图像中的像素之间的映射的示例技术900的流程图。为了方便，技术900将被描述为由位于一个或多个位置的一个或多个数据处理装置的***来执行。例如，被适当编程的材料建造者***，例如图1的材料建造者***104，可以执行技术900。

***从材料样本扫描仪，例如图1的材料样本扫描仪102，获得902物理材料的小样本的一组镜图像。

***获得904物理材料的大样本的一组直接图像。通常，每个直接图像以与材料样本扫描仪中的镜之一反射小样本的图像的角度相对应的角度来拍摄。例如，一组直接图像可以包括四个图像，每个以相应的角度捕捉，该角度对应于最接近镜图像中样本的一组镜204中四个镜之一的相应的角度，该镜例如，对应于图5的区域506、508、510和512镜。

***确定906每个直接图像中每个像素的签名。每个签名是表示像素的一组值。例如，签名可以是n维向量，其中n是预定整数。***可以以各种方式中的任何一种来为像素计算签名。

在一些实现中，***可以通过计算像素的高度和图像中像素的预定数目(例如8个)的邻居的高度来计算像素的签名。签名可以随后至少部分地基于这些高度而计算。例如，签名可以是高度值的向量。通常，因为物理材料的表面不平，给定像素的高度的值是在像素表示的点处在垂直方向上物理材料的表面的变化的值。

***从材料的高度地图来计算像素和相邻像素的高度。为了生成高度地图，***从材料的四个图像生成正交场。也就是，***可以解线性方程的两个***，每个包含四个图像中的三个，以生成每个点的高度。线性方程的***可以通过假定在一点处所测量的亮度与在该点处表面法线和该点处光方向之间的点积成正比而生成。***可以组合两个***的解来生成该点处的高度，例如使用第一***的解的一些分量和第二***的解的法线的其他分量。

从正交场，***迭代地确定高度地图。特别是，初始迭代假设所有像素为0高度。对于每个像素，***计算与邻居像素的基于法线的所期望的差，并且将其与正交场中的差相比。***用当前高度减去误差生成迭代的最终高度。一旦高度地图收敛于迭代之间的相对持久状态，收敛的高度地图被用作最终高度地图来确定用于签名的像素的高度。

在其他实现中，***可以基于颜色匹配来生成像素的签名。为了为像素生成颜色匹配的签名，***识别四个图像的每个中的感兴趣的像素周围的像素。例如，对于每个图像，***可以生成三乘以三的像素网格，感兴趣的像素在网格中心。***随后基于每个网格中每个像素的RGB值来为像素生成签名。例如，签名可以是所有RGB值的排序列表。

对于每个直接图像中的每个像素，***随后从任何区域图像中确定908最类似的像素。通常，任何给定直接图像像素的最类似区域图像像素是具有签名的镜图像像素，该签名具有它和直接图像像素签名之间的最小距离。特别是，当签名由n维向量表示时，签名A和签名B之间的距离d满足：

d＝(A₁-B₁)²+(A₂-B₂)²+...+(A_n-B_n)²

***存储910将直接图像中每个像素与镜图像之一中与该像素最类似的像素相关联的映射。例如，***可以存储将直接图像中像素的坐标与所属镜图像中最类似像素的坐标相关联的数据。

图10是用于计算给定映射位置处的最终颜色的示例技术1000的流程图。为了方便，技术1000将被描述为由位于一个或多个位置的一个或多个数据处理装置的***来执行。例如，被适当编程的着色模块，例如图1的着色模块108，可以执行技术1000。

***从材料建造者***，例如图1的材料建造者***104，获得描述物理材料的数据(步骤1002)。该数据包括用于计算在物理材料的CG表现上的特定点处的直接和间接照明的效果的数据。***可以在各种时间获得数据，例如响应于接收到着色物理材料的CG表现的请求或者在接收到请求之前。取决于该物理材料，数据可以包括将物理材料的大样本的一组直接图像中每个的每个像素的坐标与识别物理材料的小样本的任何镜图像中的最类似像素的数据相关联的数据。

***从渲染引擎，例如图1的渲染引擎106接收着色请求(步骤1004)。着色请求识别要着色的材料、要着色的映射位置即图像的三维模型的UV映射中的位置、映射位置的观看方向和映射位置的照明方向。

如果***所获得数据包括将物理材料的大样本的一组直接图像中每个的每个像素的坐标与识别物理材料的小样本的任何镜图像中最类似像素的数据相关联的数据，***可以使用该数据将请求中识别的映射位置转换为小样本的镜图像中的点。***随后可以在计算最终颜色中使用该点。

***使用描述物理材料的数据来计算在请求中识别的映射位置处直接照明下的颜色(步骤1006)。用于计算直接照明下颜色的示例技术在下面结合图11来描述。

***使用描述物理材料的数据来计算在映射位置处间接照明下的颜色(步骤1008)。用于计算间接照明下的颜色的示例技术在下面结合图12来描述。

***组合颜色以在映射位置生成最终颜色(步骤1010)。例如，***可以对直接照明下的颜色和间接照明下的颜色求和以生成最终颜色。

***将最终颜色提供给渲染引擎以用于渲染物理材料的CG表现(步骤1012)。

图11A是用于确定在给定映射位置处直接照明的效果的示例技术1100的流程图。为了方便，技术1100将被描述为由位于一个或多个位置的一个或多个数据处理装置的***来执行。例如，被适当编程的着色模块，例如图1的着色模块108，可以执行技术1100。

***在材料样本扫描仪中镜的角度所限定的表面上构建1102Voronoi图。也就是，对于表面中的每个点，***识别最接近的镜，其中，从点到镜的距离由从点到镜的中心的距离来限定。共享相同最接近镜的所有点共同形成Voronoi图中的区。例如表面可以是，如结合图2A和2B所述的镜的位置所限定的椭圆体的一部分。可替换地，表面可以是镜的角度所限定的半球。

图11B示出了示例Voronoi图1150。示例Voronoi图1150在由材料样本扫描仪中的镜的角度所限定的半球上构建。图1150包括多个区，例如区1152和区1154，每个都包括共享一组镜中相同最接近镜的所有点。

返回图11A的描述，***生成1104通过水平和垂直角度映射到表面的表。也就是，表中的每个单元格表示具有相应的角宽度和高度的表面的相应的区域。例如，如果表是1025 x 256的表，表中每个单元格表示具有.35度宽度和.35度高度的相应的区域。

对于表的每个单元格，***在表面上构建1106中心位于单元格所表示的区域的中心的圆圈并且识别圆圈与Voronoi图的区的交点。***构建每个圆圈，使得圆圈具有在任何方向上覆盖Voronoi图中至少两个区的最小可能半径，即以任意方向通过圆圈的中心所画的任何线在其退出圆圈之前必须跨过Voronoi图的两个或更多区。

***在表的每个单元格中存储1108数据。特别是，在每个单元格中，***存储一个或多个(位置,权重)对。为了识别每个单元格的(位置,权重)对，***在圆圈内为单元格随机定位预定数目N的随机点。例如，N可以是200、500、1000或2500。对于每个点，***确定最接近的镜，并且为每个镜确定有多少点将该镜作为对该点最接近的镜。***随后为每个镜存储相应的(位置,权重)对，其中，位置值识别镜，并且通过将该镜作为最接近的镜的点的数目除以随机点总数目N来计算权重。***随后在表中的对应的单元格中存储每个(位置,权重)对。

***接收1100识别要着色的材料、要着色的映射位置即图像的三维模型的UV映射中的位置、用于映射位置的观看方向和在映射位置处的光方向的数据。

***修改1112观看方向和光方向，使得它们映射到表的单元格。例如，如果方向被提供给***作为具有范围[-1,1]的(x,y,z)，***可以如下修改x和y坐标：***可以对每个x和y坐标增加1以改变其范围到[0,2]，然后对每个x和y坐标除以2以改变范围到[0,1]。***随后可以将x和y乘以表宽度即表中列的数目以改变范围到[0,width]。

***使用观看方向和光方向来识别1114表中的单元格。也就是，***使用观看方向识别第一单元格且使用光方向识别第二单元格。***可以通过使用x坐标作为单元格的列索引并且使用y坐标作为单元格的行索引来从一组坐标中识别单元格。

***使用表中的识别出的单元格中存储的内容来识别1116贡献调色板化图像以及每个贡献图像的相应的权重。也就是，每个识别的单元格存储一个或多个(位置,权重)对。***计算每个可能(位置1,位置2)对，其中位置1是存储在使用观看方向识别出的单元格中的位置之一，并且位置2是存储在由光方向识别出的单元格中的位置之一。对于每个(位置1,位置2)对，***通过将与位置1配对的权重乘以与位置2配对的权重来计算权重。***随后将每个(位置1,位置2)对映射到由具有匹配(位置1,位置2)对的值的(光,相机)对识别的调色板化图像并且使用用于(位置1,位置2)对的权重作为用于调色板化图像的权重。

***从每个贡献调色板化的图像中选择1118像素。***可以使用从渲染引擎接收到的UV坐标从每个图像中选择像素，即通过将接收到的UV坐标翻译为图像位置并且在每个贡献图像中选择在该位置处的像素。

***基于每个贡献图像的权重确定1120在映射位置处直接照明下的颜色。也就是，***将每个像素的颜色乘以对应的图像的权重，并且然后对加权的颜色求和以确定在该位置处直接照明下的颜色。

图12是用于确定在给定映射位置处间接照明的效果的示例技术的流程图。为了方便，技术1200将被描述为由位于一个或多个位置的一个或多个数据处理装置的***来执行。例如，被适当编程的着色模块，例如图1的着色模块108，可以执行技术1200。

***访问1202识别从材料样本扫描仪获得的半球的每个块的中心的数据。也就是，***访问K x M的表，该表对应于由UV映射中的位置和请求中指定的光方向所识别的像素和区域图像。换句话说，***识别与请求中指定的光方向相对应的区域图像，识别与UV映射中位置相对应的所识别的图像中的像素，并且访问与所识别的像素相对应的K x M的表。

***生成1204两个随机数。随机数是非整数数，第一个数字从0到K的范围中选择，并且第二个数从0到M的范围中选择。

***使用两个随机数字对表进行索引1206来识别绑定数对的四个表单元格。例如，如果第一个数是2.4而第二个数是3.6，绑定数对的四个单元格将是具有索引[2,3]、[2,4]、[3,3]和[3,4]的单元格。

***识别1208绑定数对的表单元格中存储的位置。

***使用双线性内插来混合1210这些位置以生成最终的位置，并且然后追踪1212来自最终位置所限定的方向中的映射位置的光线以确定光线的颜色。为了确定光线的颜色，***可以发送识别光线的方向的请求到渲染引擎，并且渲染引擎可以返回通过在该方向追踪光线而得到的颜色。

在一些实现中，***可以多次重复步骤1204到1212以生成多个颜色。***可以随后使通过投射每个光线而生成的颜色平均以确定在映射位置处的最终颜色。

主题的实施例和本说明书中描述的操作可以用数字电子电路或者用计算机软件、固件或硬件来实现，包括本说明书中公开的结构及其结构等价物，或者上述一个或多个的组合。本说明书中描述的主题的实施例可以实现为一个或多个计算机程序，即计算机程序指令的一个或多个模块，所述计算机程序在计算机存储介质上编码，用于由数据处理装置执行，或者控制数据处理装置的操作。可替换地或者此外，程序指令可以在人工生成的传播信号上编码，例如机器生成的电、光或电磁信号，其被生成以编码信息以便传输到合适的接收机装置用于由数据处理装置执行。计算机存储介质可以是或者可以包括在以下中：计算机可读存储设备、计算机可读存储衬底、随机或串行存取存储器阵列或设备、或者以上一个或多个的组合。此外，尽管计算机存储介质不是传播信号，计算机存储介质可以是在人工生成的传播信号中编码的计算机程序指令的源或目的。计算机存储介质还可以是或者包括在一个或多个分别的物理部件或介质中。

本说明书中描述的操作可以实现为针对一个或多个计算机可读存储设备上存储或从其他源接收到的数据的数据处理装置所执行的操作。术语“数据处理装置”包含所有类型的用于处理数据的装置、设备和机器，包括举例来说，可编程处理器、计算机、片上***、或上述的多个或组合。除了硬件，装置还可以包括创建用于所述的计算机程序的执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理***、操作***、跨平台执行时间环境、虚拟机、或以上一个或多个的组合的代码。装置和执行环境可以实现各种不同计算模型基础设施，例如web服务、分布式计算和网格计算基础设施。

计算机程序(还被称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以以任何形式的编程语言写成，包括汇编或解释的语言、声明性或程序性语言，并且其可以以任何形式部署，包括作为单机程序或作为模块、组件、子例程、对象、或适合用于计算环境的其他单元。计算机程序可以但不需要对应于文件***中的文件。计算机程序可以存储在保持其他程序或数据的文件的一部分中，例如存储在标记语言文档的一个或多个脚本中；专用于所述程序的单一文件中；或者多个协调文件例如存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件中。计算机程序可以被部署为在一个计算机上或在位于一个场所或跨多个场所分布且由通信网络互连的多个计算机上执行。

本说明书中描述的处理和逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器来执行，以通过在输入数据上操作并生成输出来执行动作。适合于执行计算机程序的处理器包括，举例来说，通用或专用微处理器，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或二者来接收指令和数据。计算机的必要元素是用于根据指令来执行动作的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机将还包括，或操作耦接用于从用于存储数据的一个或多个大存储设备接收数据或将数据传送到一个或多个大存储设备，或二者。但是，计算机不需要具有这样的设备。而且，计算机可以嵌入到另一设备中，例如移动电话、智能电话、移动音频或视频播放器、游戏控制台、全球定位***(GPS)接收机和可穿戴计算机设备，仅举几例说明。适合于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、媒介和存储器设备，包括，举例来说，半导体存储器设备、磁盘等。处理器和存储器可以由专用逻辑电路来补充或合并其中。

为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的实施例可以在具有用于显示信息给用户的显示设备和键盘和例如鼠标或轨迹球的指向设备的计算机上实现，通过键盘和指向设备，用户可以将输入提供给计算机。其他类型的设备也可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感觉反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且，来自用户的输入可以以任何形式来接收，包括声音的、语音的或触觉输入和输出。

尽管本说明书包含许多具体实现细节，这些应该不被认为是对任何发明的范围或可能要求保护范围的限制，而是对特定发明的特定实施例的具体特征的描述。在分别的实施例的上下文中，本说明书中描述的特定特征还可以以单个实施例中的组合来实现。反之，在单个实施例的上下文中描述的各种特征还可以分别以多个实施例或以任何适当子组合来实现。而且，尽管特征可以如上所述在特定组合中起作用并且甚至最初这样要求保护，来自要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从组合中去除，并且所要求保护的组合可以涉及到子组合或子组合的变型。

类似地，尽管以特定次序在附图中描绘了操作，这个应该不被解释为要求以所示的特定次序或顺序次序来执行这样的操作，或者执行所有图示的操作，来获取所需的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。而且，在上述实施例中的各个***部件的分离不应该被理解为要求在所有实施例中都这样分离，而是其应该被理解为所述的程序部件和***可以通常一起集成在单一软件产品中或封装在多个软件产品中。

因此，已经描述了主题的特定实施例。其他实施例在所附权利要求的范围之内。在某些情况下，权利要求中所述的动作可以以不同次序来执行并仍旧获取所需的结果。此外，附图中描绘的处理不必要求所示的特定次序或顺序次序来获取所需的结果。在特定实现中，多任务和并行处理可能是有利的。

Claims

1.一种用于扫描材料样本的装置，包括：

准直光源，所述准直光源具有用于发射准直光的透镜；

第二镜；

多个第一平面镜，其中所述光源可移动成直接照亮所述多个第一平面镜的每一个第一平面镜，并且其中，对于每一个第一平面镜，直接照亮所述第一平面镜包括从所述光源的所述透镜发射被所述第二镜反射的光以贯穿所述第一平面镜的反射表面；

样本支持，所述样本支持被配置成支持材料样本，其中所述样本支持被定位成使得所述第一平面镜中的每一个从不同的视角反射所述材料样本的相应视图；

相机，所述相机被配置成捕获反射所述材料样本的所述多个第一平面镜的多个图像，当所述光源被定位成直接照亮所述第一平面镜的不同的第一平面镜时捕获所述多个图像中的每一个；

其中，所述第一平面镜被排列成所述第一平面镜的相应表面接近椭圆体的外表面的一部分；并且

其中，所述样本支持被配置成支持所述材料使得所述材料样本的中心被定位在椭圆体的第一焦点处，所述椭圆体的第一焦点是通过采取所述椭圆体的穿过所述椭圆体的中心并且沿着所述椭圆体的半轴的横截面而形成的。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，每一个图像包含多个区域，并且其中所述多个区域中的每一个区域对应于所述多个第一平面镜的相应平面镜，并且其中每一个区域是反射所述材料样本的相应视图的对应第一镜的图像。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述相机进一步被配置成向***提供所述图像以用于在生成用于着色所述材料样本的计算机图形表示的数据结构中使用。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述样本支持进一步被配置成允许所述材料样本沿着一个或多个轴旋转。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源被安装在旋转光盘上。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述样本支持被配置成将所述材料样本在所述多个第一平面镜和所述光源之间挂起。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述相机被定位在所述椭圆体的第二焦点处。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述相机被配置成响应于从外部***接收到的请求而捕获所述多个第一平面镜的所述图像。