如何通过数字化的手段来自动设计3D视觉艺术？-雕刻网

【论文标题】基于可微渲染的基于划痕的反射艺术

【作者】沉鹏飞 1、李瑞增 1、王蓓蓓 2,3、刘立刚 1

【单位】中国科学技术大学1、南开大学2、南京理工大学3

【背景及问题】

艺术家通过设计物体与光源之间的交互（如阴影、透射或反射）来创造一些有趣的视觉效果，称为3D视觉艺术。然而，光与物体之间的交互非常复杂，手动设计3D视觉艺术效果需要大量的时间和设计经验。如何通过数字化手段自动设计3D视觉艺术近年来引起了广泛关注。

在3D视觉光学艺术中，一个重要的范畴就是利用物体的反射来呈现不同的图案，称为3D反射艺术。反思艺术呈现的核心问题包括：在物体表面选择何种几何结构进行图案呈现以及如何设计几何结构来呈现特定的图案。现有工作将物体表面离散成不同方向的小镜子或不同高度的小网格，并通过优化设计这些几何结构的具体属性。然而，这些规则的几何结构需要大量的参数来描述整个表面的反射特性，导致参数空间更大，优化时间成本更高。

图1. 带有多处划痕的金属板在四个视角下呈现不同的图像

【解决方案】

本文提出划痕作为创建3D反射艺术的几何机制，并将可微渲染引入3D反射艺术中以呈现特定图案。该方法的核心是对划痕的几何形状和外观进行建模，给定不同视角下想要看到的图片，通过可微分渲染优化划痕的几何形状和外观参数，以获得想要的视觉效果（如图1所示）所示）。

这种方法的优点是：

1）与均匀的镜子或网格相比，覆盖整个反射面所需的划痕要少得多，因此划痕的参数空间更加紧凑；

2）可微渲染的引入使得使用更高效的基于梯度的优化算法成为可能；

3）划痕很容易用简单的雕刻机制造。

因此，本文的方法可以使用较低的计算和制造成本来创建3D反射艺术，并且金属板可以在不同的视角下显示不同的图案。

【实验结果】

本文通过虚拟场景渲染和实际制造两种方式呈现最终的优化划痕。图 2 显示了两组虚拟场景的示例。通过以三张图片为目标，对划痕的几何形状和外观进行优化，最终可以在不同的视角下呈现给定的三张图片。

图 2. 两组（第一行和第二行）渲染的草图

此外，本文实际上是在光滑的铝板的基础上制造反射面，并使用自行设计的雕刻机（如图3所示）在铝板上制造划痕。雕刻机的一个重要组成部分是它的雕刻头，它由铣刀和自行设计的弹簧支架组成，通过高度变化获得弹簧的力，在金属板上留下划痕。图4展示了两套制造的结果，以三张图片为目标，优化划痕几何形状和外观，使用雕刻机对铝板进行划痕，最终可以在不同视角下呈现出三种给定的图案。