视点相关高光与镜面反射强度对投影映射中光泽感知的影响

Masaki Takeuchi¹ Kohei Miura¹ Daisuke Iwai¹

¹ 大阪大学（The University of Osaka），日本

1. 引言 (INTRODUCTION)

投影映射 (PM) 通过将投影图像叠加到真实物体表面来改变其外观，应用范围涵盖从娱乐到产品设计的各个领域。虽然目前的 PM 技术可以有效操纵漫反射外观，但在重现镜面反射材料的能力上仍然有限。光泽是材质感知的关键线索，但它不能用单一的物理量来表征，因为多种因素共同塑造了它的感知。在现实世界中，镜面反射对应于周围光源的图像，因此随着观察者改变视点，它们会在表面上移动。然而，在典型的 PM 中，投影图像固定在物体的表面坐标上。这种视点相关运动 (view-dependent motion) 的缺失导致投影的光泽被感知为油漆或印刷图案，而非光学反射。这种误解限制了 PM 中令人信服的镜面反射再现。

视觉科学领域对光泽感知进行了广泛研究。具体而言，先前的研究报告称，与物体形状和运动一致的视点相关高光运动可以增强感知的感官光泽。由于这些发现主要基于基于显示器 (display-based) 的刺激，它们可能无法直接应用于 PM。与呈现发射光的显示器相比，PM 依赖于真实表面反射的投影光，这导致了根本不同的观看条件。因此，在 PM 这一独特背景下，视点相关高光及其强度（镜面反射强度）究竟如何影响光泽感知仍不清楚。在这项工作中，我们采用了一个 PM 系统，该系统基于微面元反射模型 (microfacet reflection model) 投影包含视点相关高光的感官材质纹理。利用该系统独立控制镜面高光运动和镜面反射强度，我们进行了一项用户研究，以评估它们对光泽感知的效果。

2. 方法 (METHOD)

图 1 展示了实验设置和刺激投影的示例。我们将光线追踪 (ray-traced) 渲染图投影到一个漫反射物体上。在“视点相关 (View-dependent)”条件下，虚拟相机会跟随被追踪的视点;

在静态 (Static) 条件下，高光位置是固定的。我们设置了三个级别的镜面反射权重 (specular weight)：$\omega_{spec} = 0.1, 0.5, 0.9$，分别对应低 (L)、中 (M) 和高 (H) 三档。

我们采用了 $2 \times 3$ 被试内设计 (within-subject design)，包括视点追踪（静态、视点相关）和镜面反射强度（低、中、高），总共产生六种实验条件。在观察期间，参与者被要求左右移动头部，以利用高光运动线索。14名视力正常或矫正至正常的成年人参加了实验，并在实验前签署了知情同意书。注：本研究已获得机构审查委员会（Institutional Review Board）的批准（批准 ID：R7-21）。

使用相同的刺激集进行了两项任务。任务 1 是一项比较判断任务 (comparative judgment task)，旨在评估不同条件下光泽度的主观差异。来自不同条件的两个刺激先后呈现，参与者报告哪一个看起来更亮（更有光泽）。任务 2 是一项匹配任务 (matching task)，旨在通过镜面反射强度的变化来表达视点相关高光的效果。参与者通过键盘输入调整参考刺激 (reference stimulus)（静态，低强度）的 $\omega_{spec}$，直到其整体光泽与测试刺激 (test stimulus) 相匹配。

3. 结果 (RESULT)

在任务 1 中，感知光泽 (perceived gloss) 随镜面反射强度的增加而增强。“静态”与“视点相关”之间的差异在高镜面反射强度下非常明显，而在低强度下差异较小。在任务 2 中，增加镜面反射强度使匹配得到的 $\omega_{spec}$ 发生了明显变化。在匹配值上，“静态”与“视点相关”之间没有显著的可靠差异。

4. 结论 (CONCLUSION)

我们通过操纵镜面高光运动和强度，研究了投影映射 (PM) 中的光泽感知。我们的结果表明，高光运动的贡献小于镜面反射强度的贡献，并且基于显示器的研究中报告的光泽线索可能无法直接应用于 PM，这激发了在基于投影的呈现方式下进行进一步研究。未来的工作将通过引入不一致的运动，以及扩展照明和几何条件，进一步探讨几何一致性 (geometric consistency) 的作用。

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