一种实时材质编辑方法与系统与流程

本发明涉及一种实时材质编辑方法与系统，属于计算机图像处理领域。

背景技术：

基于材质图像信息生成材质贴图，在数字重建、游戏制作、影视动画等领域广泛应用。基于单幅图像的材质贴图生成方法具有图像获取方便、操作简单等优点，常见软件包括CrazyBump、Allegorithmic Substance等。此类软件通常采用一键式贴图生成方法，即系统根据用户输入的单张图像自动生成一套材质贴图。但为了获得满足用户需求的高质量材质渲染效果，需要用户根据经验逐一修改每张材质贴图，一般需要几个小时或更长时间。

技术实现要素：

本发明提出了一种实时材质编辑方法与系统，用户仅需交互调节系统提供的三个参数：镜面反射系数、法向系数、高光系数，便可生成高质量的材质贴图。

本发明的技术方案包括一种实时材质编辑方法，其特征在于，该方法包括：S1，输入的原始图，该原始图为单幅样本材质图像；S2，对原始图的漫反射系数图、镜面放射系数图、法向图、高光图进行初始化计算和生成；S3，根据用户输入的参数，生成材质贴图，其中所输入的参数包括镜面反射系数、法向系数、高光系数。

根据所述的实时材质编辑方法，所述步骤S2还包括：S201，基于YUV颜色空间明亮度对单幅样本材质图像进行高光分离，读取镜面反射系数，计算生成得到原始明暗图、原始颜色图镜面反射图；S202，使用标准差将原始图像空间明亮度处理为标准正态分布，读取法向系数，计算并生成法向图；S203，基于YUV颜色空间明亮度，读取高光系数，计算并生成高光图；S204，计算镜面反射系数图在像素点对应的值，进一步计算并生成镜面反射系数；S205，计算漫反射系数图在像素点对应的值，进一步计算并生成漫反射系数。

根据所述的实时材质编辑方法，所述步骤S3还包括：所输出材质贴图包括漫反射系数图、镜面反射系数图、法向图、高光图。

根据所述的实时材质编辑方法，所述步骤S3还包括：对输入参数进行识别，若识别到输入的参数为输入镜面反射系数，则依次执行所述步骤S201、S202、S203、S204、S205、S3；若识别到输入的参数为法向系数，则依次执行所述步骤S202、S204、S205、S3；若识别到输入的参数为高光系数，则依次执行所述步骤S203、S204、S3。

根据所述的实时材质编辑方法，所述步骤S201还包括:1)计算输入图像的原始明暗图Y，以及，原始颜色图U、V；2)读取镜面反射系数ρ，其中1＜ρ＜Y_min，Y_min为输入图像的原始明暗图Y的最小值；3)设置所有像素的明暗值为常数ρ，并根据ρC_YUV[1 U V]^T计算镜面反射图，其中C_YUV为YUV颜色空间向RGB颜色空间的转换函数；4)通过原始RGB图像计算得到镜面反射图，进一步计算漫反射图。

根据所述的实时材质编辑方法，所述步骤S202还包括:1)读取在所述步骤S201计算得到的图像原始明暗图Y’；2)将图像原始明暗图Y进行处理得到新的标准化明暗图Y’，其中，像素点i(1,...,N)的明暗值处理方法为其中，x_i为像素点原始明暗值，x_mean为图像所有像素平均明暗值，x_σ为图像明暗值标准差，3)读取法向系数，其中法向系数取值范围为0-255；4)对明暗图Y’进行缩放处理，处理时的计算方式为Y’*法向系数/255.0，并根据明暗图Y’每个像素值及其周边像素的差值，得到法向图。

根据所述的实时材质编辑方法，所述步骤S203还包括:1)计算镜面反射图的明暗图YS；2)将镜面反射图的明暗图YS进行处理得到新的标准化明暗图YS’；3)读取高光系数，其中高光系数取值范围为0-255；4)对明暗图YS’进行缩放处理，处理时的计算方式为YS’*高光系数/255.0，并将缩放处理后的明暗图YS’作为高光图。

根据所述的实时材质编辑方法，所述步骤S204还包括:使用ρ_s(x)＝I_s(x)/pow(Dot(N(x),H),g(x))/Dot(N(x),L)计算镜面反射系数图在像素点x的值，其中I_s(x)为镜面反射图在像素点x的值，其中，Dot(N(x),H)为法向量N(x)与H向量的内积，g(x)为高光图在像素点x的值，Dot(N(x),L)为法向量N(x)与光线方向向量L的内积。

根据所述的实时材质编辑方法，所述步骤S205还包括:通过ρ_d(x)＝I_d(x)/Dot(N(x),L)计算漫反射图系数图在像素点x的值ρ_d(x)，其中，I_d(x)为漫反射图在像素点x的值，Dot(N(x),L)为法向量N(x)与光线方向向量L的内积。

本发明的技术方案还包括根据上述任意方法的一种实时材质编辑系统，其特征在于，该系统包括:图像输入模块，用于对原始图进行读取；高光分离模块，用于对对原始图进行高光分离，读取镜面反射系数，计算生成得到原始明暗图、原始颜色图镜面反射图；法向图生成模块，用于将原始图像空间明亮度处理为标准正态分布，读取法向系数，计算并生成法向图；高光图生成模块，用于读取高光系数，计算并生成高光图；镜面反射系数图生成模块，用于计算镜面反射系数图在像素点对应的值，并生成镜面反射图；漫反射系数图生成模块，用于计算漫反射系数图在像素点对应的值，并生成漫反射图；输出模块，根据用户设定的参数执行对应的模块。

根据所述的实时材质编辑系统，所述输出模块还包括:识别子模块，用于接受并识别用户设定的参数值；执行子模块，用于根据所述识别子模块的识别结果依次执行对应的多个模块；生成子模块，用于根据所述执行子模块的执行结果生成对应的模型贴图。

根据所述的实时材质编辑系统，其特征在于，所述执行子模块还包括:若所述识别子模块的识别结果为输入镜面反射系数，则依次执行高光分离模块、法向图生成模块、高光图生成模块、镜面反射系数图生成模块、漫反射系数图生成模块、输出模块。若所述识别子模块的识别结果为输入法向系数，则依次执行法向图生成模块、镜面反射系数图生成模块、漫反射系数图生成模块、输出模块；若所述识别子模块的识别结果为输入高光系数，则依次执行高光图生成模块、镜面反射系数图生成模块、输出模块。

本发明的有益效果为：当用户交互调节某一个参数时，系统会自动更新多个相关贴图，整个交互过程可以在短时间内响应，满足用户实时交互需求，大大提高了材质贴图制作效率。本发明还具有用户交互参数少、易于理解和操作、满足实时要求、材质制作效率高等特点。

附图说明

图1所示为根据本发明实施方式的总体流程图；

图2所示为根据本发明实施方式的识别时模块执行图；

图3所示为根据本发明实施方式的模块框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的实时材质编辑方法和系统适用于计算机图像处理。

图1所示为根据本发明实施方式的总体流程图。其中S1输入原始图；S2对原始图的漫反射系数图、镜面放射系数图、法向图、高光图进行初始化计算和生成；S3根据用户输入参数执行对应的步骤并生成对应的模型贴图

图2所示为根据本发明实施方式的模块执行图。L1(实心箭头)所表示的是用户交互输入镜面反射系数时的模块执流程，即当用户调节镜面反射系数时，系统会自动执行相应的模块，进一步，系统会自动更新相关的漫反射系数图、镜面反射系数图、高光图；L2(长虚线箭头)所表示的是用户交互输入法向系数时的模块执流程，即当用户调节法向系数时，系统会自动执行相应的模块，进一步，系统会自动更新相关的漫反射系数图、镜面反射系数图、法向图；L3(短虚线箭头)所表示的是用户交互输入高光系数时的模块执流程，即当用户调节高光系数时，系统会自动执行相应的模块，进一步，系统会自动更新相关的镜面反射系数图、高光图。

图3所示为根据本发明实施方式的模块框图。包括(A)图像输入模块；(B)高光分离模块；(C)法向图生成模块；(D)高光图生成模块；(E)镜面反射系数图生成模块；(F)漫反射系数图生成模块；(G)输出模块。

(A)图像输入模块

读取一张图片。

(B)高光分离模块

本系统采用基于YUV颜色空间明亮度Y的高光分离方法：

1)计算输入图像的原始明暗图Y、以及原始颜色图U、V；

2)读取镜面反射系数ρ(1＜ρ＜Y_min，Y_min为输入图像的原始明暗图Y最小值)；

3)本系统假设镜面反射变化主要由材质空间变化所致，即所有像素的明暗值为常数ρ，并根据公式ρC_YUV[1 U V]^T计算镜面反射图，其中C_YUV为YUV颜色空间向RGB颜色空间的转换函数。

4)计算漫反射图(原始RGB图像-镜面反射图)。

(C)法向图生成模块

为提高法向贴图的质量，本系统采用标准差(z-score)标准化技术，对原始图像YUV颜色空间明亮度Y处理为标准正态分布，即均值为0，标准差为1，具体如下：

1)读取在(B)模块计算得到的图像原始明暗图Y；

2)将图像原始明暗图Y进行处理得到新的标准化明暗图Y’；

像素点i(1,...,N)的明暗值处理方法为

其中，x_i为像素点原始明暗值，x_mean为图像所有像素平均明暗值，x_σ为图像明暗值标准差

3)读取法向系数(0～255)；

4)对明暗图Y’进行缩放处理(明暗图Y’*法向系数/255.0)，并根据明暗图Y’每个像素值及其周边像素的差值，计算法向图。

(D)高光图生成模块

本系统采用基于YUV颜色空间明亮度Y的高光图生成方法：

1)计算镜面反射图的明暗图YS；

2)将镜面反射图的明暗图YS进行处理得到新的标准化明暗图YS’；

2)读取高光系数(0～255)；

3)对明暗图YS’进行缩放处理(明暗图YS’*高光系数/255.0),作为高光图。

(E)镜面反射系数图生成模块

根据Blinn-Phone模型，本系统通过以下公式计算镜面反射系数图在像素点x的值ρ_s(x)：

ρ_s(x)＝I_s(x)/pow(Dot(N(x),H),g(x))/Dot(N(x),L)，

其中I_s(x)为镜面反射图在像素点x的值；Dot(N(x),H)为法向量N(x)与H向量(光线方向向量L与视点方向向量V的中间分量)的内积；g(x)为高光图在像素点x的值；Dot(N(x),L)为法向量N(x)与光线方向向量L的内积。

(F)漫反射图系数图生成模块

本系统通过以下公式计算漫反射图系数图在像素点x的值ρ_d(x)：

ρ_d(x)＝I_d(x)/Dot(N(x),L)，

其中I_d(x)为漫反射图在像素点x的值；Dot(N(x),L)为法向量N(x)与光线方向向量L的内积。

(G)输出模块

输出材质贴图，包括漫反射系数图、镜面反射系数图、法向图、高光图。

在材质贴图初始化阶段，系统根据镜面反射系数、法向系数、高光系数初始值，顺序执行(A)至(G)模块，初始化材质贴图。在材质贴图实时编辑阶段，根据用户交互输入三个参数，分别执行不同的模块组，快速优化相关材质贴图。本发明在仅需要少量人工干预的情况下，便可实时生成更为真实的材质贴图，极大地提高了材质制作效率。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。