虛擬燈光的渲染擬真怎麼做? ——研究發現:產生髮光錯覺的光暈存在關鍵梯度區間

三倉心理學界2019-08-30 07:22:44

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來源 | 華東師範大學心理與認知科學學院官網


電子屏幕的亮度相較於一般照明燈光的亮度存在兩個數量級的差異,然而我們可以利用視知覺上模擬光暈形成的發光錯覺(glare illusion)來渲染更真實的虛擬燈光。那麼怎樣的光暈梯度才有最好的擬真效果呢?華東師大心理與認知科學學院蒯曙光團隊首次對此問題進行了定量研究。實驗結果表明:光暈梯度必須在不過於陡峭也不過於平緩的特定區間內,才會產生髮光錯覺。這一關鍵梯度區間應用於虛擬燈光渲染後,在顯示屏和虛擬現實頭戴顯示器上同樣得到了驗證。此外,這一關鍵區間被發現與日常經驗中的實際光暈梯度和不同光源數碼照片的光暈梯度分佈上存在高度重合,暗示發光錯覺可能根源上來自日常經驗。


該研究以“Rendering a virtual light source to seem like a realistic light source in an electronic display: A critical band of luminance gradients for the perception of self-luminosity”為題,發表在圖像顯示技術期刊《顯示》(Displays)上。第一作者為碩士畢業於華東師大心理與認知科學學院,現於大阪大學生命機能研究科攻讀博士的吳惠寧,第二到四位作者分別是華東師大教育學部的碩士研究生汪學敏、本科畢業於華東師大心理與認知科學學院的俞俐錕和袁甜,通訊作者為蒯曙光研究員。該研究由國家自然科學基金(No. 31771209, No. 31571160)以及華東師範大學腦科學與教育創新研究院技術平台資助與支持。


虛擬世界的擬真問題


從文字到2D圖像到3D模型,人類構建數字虛擬世界的擬真度和代入感越來越強,而虛擬現實技術的願景之一,就是以逼真的效果、沉浸的體驗,讓人們能夠跨越時空的界限,輕鬆聯結起來。然而受限於硬件上的差異,我們不可能做到物理參數上的完美還原,而必須藉由對感知覺的瞭解,儘可能地去模擬真實體驗。


具體到虛擬燈光而言,受限於電子屏幕的最高亮度,虛擬燈具並不會有與現實相匹配的發光感。因此,如果能利用好已知的發光錯覺,掌握如何儘可能真實地模擬燈具的發光感,將有助於進一步提高數字虛擬世界的擬真度。

 
多學科交叉的綜合研究環境

雖然研究的思路並不複雜,但想要做好這個課題,需要團隊成員熟悉包括光學、計算機圖形學、心理學等多學科的知識,掌握一定的數學建模、實驗設計與數據統計、2D和3D圖形渲染、自然圖像統計等技術。蒯曙光研究員帶領研究生團隊建立了虛擬現實實驗室(VR Lab),招收不同學科背景的學生互相交流、學習、合作,並在此基礎上探索各種交叉的研究問題與方法,才最終使得這一研究項目迎來成功。

具體而言,研究首先選用冪函數對光暈梯度進行操縱,得到被試對16個水平的圖像上多大程度產生了發光感的評價。報告的數據隨冪的增加可由高斯函數擬合,即反映了除坐落於關鍵梯度區間範圍內以外,過緩或過陡的光暈梯度都無法產生髮光錯覺,因此也無法簡單由對比度或能量這樣常見的初級視覺特徵所解釋。


基於這一結果,後續實驗分別在顯示屏和虛擬現實頭戴顯示器上將一系列光暈梯度用於多種虛擬燈具的渲染,並要求被試作適宜度的排序評分。排序評分結果與之前的結果高度一致,關鍵梯度區間內的評分總是最高的。因此,在渲染虛擬燈光時,需要注意將光暈梯度控制在這一範圍內,以儘可能提高虛擬環境的擬真程度。

 
從理論到應用,再從應用迴歸理論
       
研究在理論和應用之間的偏廢,往往是許多爭議的根源。心理學作為一門在公眾眼裏既神祕,又往往顯得有些不接地氣的學科,如何走好一條理論輔助應用、應用反哺理論的良性循環,一直是蒯曙光研究員和其研究生團隊特別關心的問題。實際上,任何科技在最終實現大規模應用時,都必須經過一個從物理到心理的過程,而這個過程又往往伴隨着心理上能動地去調整、適應新環境。在建立虛擬現實實驗室的過程中,蒯曙光研究員和其研究生團隊圍繞各類虛擬現實技術與理論上的不懈探索與積極開拓,是對這一思考的最好實踐。
 


虛擬燈光的渲染擬真雖然意圖上以應用為主,但在研究過程中,通過比對實際光暈梯度和不同光源數碼照片的光暈梯度分佈,發現其與關鍵梯度區間的實驗數據高度吻合。這意味着視知覺上之所以會形成發光錯覺,很可能與日常生活中的經驗息息相關。這類較為具體的、高級的視覺特徵如何一步步通過神經計算產生一種抽象的知覺,最終又形成一種更普遍的視錯覺,對於我們理解視覺認知的原理也有重要的意義。

論文信息:

Wu, H., Wang, X., Yu, L., Yuan, T., Kuai, S.*,(2019). Rendering a virtual light source to seem like a realistic light source in an electronic display: A critical band of luminance gradients for the perception of self-luminosity. Displays. Volume 59:44-52.doi.org/10.1016/j.displa.2019.07.001.


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