房强

（陕西国防工业职业技术学院 艺术学院，陕西 西安710300）

基于图像的三维后期处理特效系统研究

房强

（陕西国防工业职业技术学院 艺术学院，陕西 西安710300）

文中针对通过编码将某种特效渲染写进程序，不能实时观察各种特效融合的情况，设计了一个后处理特效编辑器系统，该系统在可视化编辑器界面下，通过运用高动态范围渲染技术以及实现该技术的最优算法，能实现图像的三维后处理特效的各种融合渲染。在对系统的测试表明，该系统能够在可视化编辑器下将多种特效融合在图像上，使图像更加逼真、生动。

高动态范围；后处理特效；编辑器；可视化

计算机实时绘制领域始终在迅猛发展，本文通过加入模型、地形、声音、动画等元素便可实现对虚拟场景的实时编辑[1]，但对于照片的真实亲切感及场景再现感，会由于人眼受到外界光线强弱的干扰，当物体移动时，若不对图像进行处理，也会有失场景感。对于这些差异，文中就要发挥对于图像的后处理特效[2]，从而达到改善烘托的效果，实现照片级的肉眼真实感以及场景在线实时感[3]。与此同时，可视化编辑对于后处理特效的三维场景[4]的真实感处理极其重要，因此需要研究一个系统，更加方便快捷的实现可视化编辑，该系统的可视化编辑能够实现任意特效的各种组合[5]，并将其切实到实际场景中。

通常该系统要所包含的后处理特效编辑有景深、运动模糊、眩光等[6]。太阳的光照和月光有着明显差别。但在目前的计算机中划分亮度是用8 bit（256）级或 16 bit（65536）级[7]。比如太阳和月光的亮度差异较大，根本无法在图像中体现。为了能够展现魅力世界，能使丰富多彩的光照亮度明显的表现在一幅图像里便需要利用文中系统的核心内容，高动态渲染技术[8]。例如在图像中出现耀眼的光源和反射、动态曝光，在高动态渲染技术中均可轻易的实现，使图片具有应有的真实感和运动过程中的图像模糊感[4]。

1 系统设计

1.1 系统功能设计概述

对于三维场景中图像的后处理特效的编辑及渲染功能[6]的实现是三维后处理特效子系统的主要功能，该系统主要用来处理图像的最后特效的编辑，能够使用户在可视化条件下操作，摆脱掉以往只能在程序中将特效完全固定的情况[10]，使用户能更直观，方便的对三维场景中后处理特效进行操控。系统设计中包含景深、运动模糊、bloom、全屏模糊、眩光、体积光等[11]可供编辑的后处理特效插件，其各自功能均是以增加图像的真实感为目的[2]。对于可视化编辑器的功能，主要是从用户层面和底层的特效渲染进行研究，从而达到操作者能在可视化条件下进行编辑。单独渲染和多个特效同时渲染的实现是系统对实现特效渲染功能的要求。

1.2 系统流程设计

基于以上理论研究，可以将本系统划分为5部分顺序执行。首先是初始化部分，初始化部分简单，只需在编辑界面添加一个RenderTarget框，然后是特效链的编辑和特效编辑，在对特效的顺序，保存等操作时就用到了特效链，特效则是对期更具体的编辑。最后是保存和应用，在实际的应用操作中，正是通过读取特效中的数据进行的渲染[11]。流程设计如图1所示。

图1 系统工作流程图

2 HDR算法实现

2.1 算法分类

色调映射算法现阶段可分为两种，空域不变（Spatially Uniform）和空域变化（Spatial Varying）。 前者算法的开销少，步骤简单，对图像进行采样来分出亮度等级，然后再在这些信息的基础上按需要重新映射。但对于同一条变化曲线不能够自适应不同区域，会导致图像在各方面上的损失[12]。后者算法针对前者的缺点，对不同区域进行不同变化，将每个像素和周围像素相联系，使图像更加分明真实[8]。在实时图形渲染系统中，局部色调映射使用的最多。

2.2 常见算法对比

文中讨论了常见的4种算法，并经过了研究和分析，最终通过截图比对了效果。

1）线性映射算法 （linear mapping）。该算法简单，效率高，通过关键值α来调节亮度[13]，但实际上并不真实。其公式如下

其中，α的含义是一种压缩变量，即要想场景保证清晰，有明显的对比度，就要进行α压缩。

2）Reinhard算法。该方法在非线性的映射下将整个图像的动态范围展示出来。式（2）为将高亮度值进行压缩的公式

3） 改 进 的 Reinhard算 法 （The modified Reinhard’s operator），该算法是对（2）的不足提出的改进方法，公式如式（3）所示

其中令常量Lwhite=2.5，是为了彰显对比度。但在较高的动态范围场景使用也会有损失。

4）自适应对数映射算法。该算法方程如式（4）所示

这个映射保证将所有的值均映射到[0，1]范围内[14]，但过度的压缩也会丢失对比度，当X>2或X>10时，将产生夸张的结果，以及考虑在实际应用中，得到其最终方程如式（5）所示：

该方法被用来映射所有的值，但配置较为困难。

2.3 实验结果对比及分析

图2为实验结果对比图，其中图（a）为原始图像，图（b）为线性映射效果，图（c）为 Reinhard 算法效果，图（d）为改进的Reinhard算法效果[12]。从图中的差别可以看出，图（d）清晰明亮，场景真实感强，因此在后处理特效中采用此算法[6]。

3 系统测试

在系统搭建完成后，对系统的编辑模块和特效渲染模块功能做了测试，测试该系统的是一台普通PC机，并没有较高的配置要求[2]。

图2 实验结果对照图

1）编辑模块测试。

特效编辑测试结果：后处理特效编辑器的特效链编辑部分和特效属性编辑部分功能全部实现预期效果。

2）特效渲染测试

为了效果明显，将令bloom的参数值为0.85[13]，由图可明显看出精灵翅膀的亮度区域发生了溢出。正是由于采用了高动态渲染技术，使整个图片的亮暗分明，更加美观。

由图8可见，打开控制特效开关后，视点以外的运动模糊效果便体现出来，并在使用了高动态渲染技术后，图片更加明亮。

图3 特效链编辑测试截图

图4 删除功能测试截图（删除前）

图5 删除功能测试截图（删除后）

4 结束语

文中通过对基于图像的三维后期处理系统的功能出发，设计了系统框图以及系统实现流程，同时介绍了实现该系统的核心，高动态渲染技术[9]，对比了算法实现的优劣，并最终验证了该系统的可实现性，在现在的实时图像渲染中[16]，该处理已成为不可或缺的一部分，其能使图片更加逼真，真实，给人视觉上带来享受，因此具有较大的发展前景。

图6 特效属性编辑测试截图

图7 bloom开关闭效果对比图

图8 关闭特效控制开关

图9 打开特效控制开关

[1]石炎生，吴华意.基于图像绘制技术及其应用前景[J].湖南理工学院学报:自然科学版，2004，17（4）:31-34.

[2]王俊杰.基于图像绘制虚拟现实关键技术研究[D].上海:复旦大学，2003.

[3]Geczy，George，"2D Programming in a 3D World[C].Developing a 2D Game Engine Using DirectX8 Direct3D，"Gamasutra，June 2001.

[4]McReynolds， Tom， David Blythe，Brad Grantham，andScottNelson，SIGGRAPH 99 Advanced Graphics Programming Techniques Using OpenGL course notes[C]//1999.

[5]Schaufler，Gernot.Dynamically Generated Impostors[J].GI Workshop on"Modeling-VirtualWorlds-Distributed Graphics，"D.W.Fellner， ed.， Infix Verlag， 1995：129-135.

[6]邱建雄，赵跃龙，杨瑞元.基于图像的建模和绘制技术综述[J].小型微型计算机系统，2004，25（5）:908-912.

[7]RandimaFemando.GPU精粹:实时图形编程的技术技巧和技艺[M].姚勇，王小琴，译.北京:人民邮电出版社，2006.

[8]Swets D L，Weng J J.Using discriminant eigenfeatures for image retrieval[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence， IEEE Transactionson，1996，18（8）:831-836.

[9]Shakhnarovich G，Moghaddam B.Face recognition in subspaces[M].Springer London，2011:19-49.

[10]Cunado D，Nixon M S，Carter J N.Using gait as a biometric，via phase-weightedmagnitude spectra[C].Springer Berlin Heidelberg，1997:93-102.

[11]WangY， LiuJ， TangX.Robust3D face recognition by local shape differenceboosting[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence，IEEE Transactions on，2010，32（10）:1858-1870.

[12]Ratha N K，Karu K，Chen S，et al.A real-time matching system for large fingerprintdatabases[J].Pattern Analysis and Machine Intelligence，IEEE Transactions on，1996，18（8）:799-813.

[13]Yun E K，Cho S B.Adaptive fingerprint image enhancement with fingerprint imagequality analysis[J].Image and Vision Computing， 2006，24 （1）:101-110.

[14]栾尚敏，李未，马绍汉.算法框架:算法重定位的一种可操作的方法[J].软件学报，1999，10（7）:679-684.

[15]Jain A， Hong L， Bolle R.On-line fingerprint verification [J].Pattern Analysisand Machine Intelligence， IEEE Transactions on， 1997，19（4）:302-314.

[16]Nalwa V S.Automatic on-line signature verification[J].Proceedings of the IEEE，1997， 85（2）:215-239.

Study on the effect system of image based three dimensional post-processing

FANG Qiang
（Shaanxi National Defense Industrial Vocational and Technical College of Art College， Xi'an 710300，China）

This paper according to the code of some special effects rendering written into the program，design a post-processing effects editor system， the system in the visual editor interface， using high dynamic range rendering techniques，will be able to image 3D effects processing various fusion rendering.In the test of the system shows that the system can be in the visual editor under the fusion of a variety of special effects in the image，so that the image is more realistic and vivid.

High dynamic range； post processing effects； editor； visualization

TN99

A

1674－6236（2017）12-0157-04

2016-05-15稿件编号：201605140

房 强（1982—），男，天津人，讲师。研究方向：图形图像、数字媒体技术、平面设计。