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在計算機生成全息圖中實現(xiàn)反射和折射深度再現(xiàn)

（映維網(wǎng)?2021年10月25日）在日前舉行的SIGGRAPH 2021大會中，VividQ和伯恩茅斯大學(xué)大學(xué)組成的團(tuán)隊介紹了一種在全息顯示器中實現(xiàn)逼真反射和折射的新方法。同時，這個名為“Enabling Reflective and Refractive Depth Representation in Computer-Generated Holography（在計算機生成全息圖中實現(xiàn)反射和折射深度再現(xiàn)）”的Poster口頭學(xué)術(shù)報告在ACM SIGGRAPH Student Research Competition學(xué)生研究競賽中贏得了Graduate Awards第一名。

全息顯示器的多深度渲染

反射和折射對于數(shù)字場景的逼真表現(xiàn)非常重要。計算機生成全息圖（Computer-Generated Holography；CGH）通過光的衍射和干涉來再現(xiàn)3D對象和場景。通過“工程控制”光線，CGH顯示器能夠以人眼分辨率有效再現(xiàn)我們自然感知周圍環(huán)境的方式。

不過，渲染完整的“原生”全息圖會產(chǎn)生一個重要的計算問題，而且著色器/光傳輸技術(shù)方面尚不夠先進(jìn)，用于全息顯示的現(xiàn)有圖像渲染方法會每像素使用一個深度值，難以支持具有反射或折射特性的場景，如鏡子、水面、窗戶或玻璃。所以，這種技術(shù)的視覺效果與現(xiàn)代渲染器的水平相去甚遠(yuǎn)。

由VividQ資助的研究生團(tuán)隊朝這個方向進(jìn)行了探索，并嘗試結(jié)合現(xiàn)代渲染器的優(yōu)點來快速渲染全息圖。研究指出，一種解決方案是為所述場景渲染多個焦距深度。在SIGGRAPH大會，團(tuán)隊提出了全息合成的概念。

通過使用基于depth sliced/image-layer的CGH和一系列其他技巧，我們可以切掉大量的角點，并更快地提供相同體驗的近似值。這正是VividQ擅長的地方。通過將現(xiàn)有光追或光柵化渲染器中的RGBZ（顏色+深度）圖像輸入全息圖生成套件，并將其劃分為離散層，你可以快速計算全息圖。

但是，僅擁有RGBZ數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以表示場景中對象的真實深度，如對象具有反射（鏡子）或折射（玻璃、水）等材質(zhì)屬性的場景。

解決方案是從渲染器中獲取額外的深度數(shù)據(jù)，并結(jié)合一個看起來非常類似于視覺效果合成的工作流程。不過，這個合成流程不是用于2D，而是作用于全息圖。通過獨立生成渲染器的每個反射/折射元素，可以在最終全息圖中為每個元素指定正確的深度信息。其結(jié)果是能夠顯示具有真實材質(zhì)（包括焦點特性）的對象。

簡單來說，現(xiàn)有渲染器利用具有相關(guān)深度 channel的渲染通道來生成獨立全息圖，并在傅里葉空間中合成以形成單個全息圖。當(dāng)瀏覽時，所述全息圖能夠用正確的散焦來表示原始場景。

所述方法允許渲染器在全息圖生成過程中提供更多數(shù)據(jù)，并生成具有反射或折射特性的逼真全息圖像通過這種方式，全息顯示器可以產(chǎn)生具有真實反射的鏡子投影、栩栩如生的魚缸、或通過窗戶顯示的全三維場景。

團(tuán)隊表示，未來的研究方向?qū)▽⑺龇椒☉?yīng)用于由VividQ SDK驅(qū)動的實時全息顯示器，并在增強現(xiàn)實設(shè)備、車載平視顯示器和大型全息顯示墻中實現(xiàn)應(yīng)用。

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