基于SPEOS CAA的手機(jī)外觀視覺仿真

黃攀

摘 要：本文討論了手機(jī)外觀視覺仿真的原理與過程，建立了手機(jī)視覺仿真方法的框架模型。以CATIA為平臺(tái)，依據(jù)人眼視覺仿真方法完成了手機(jī)外觀模型的建立，并通過光學(xué)仿真算法，利用SPEOS CAA的VE模塊對(duì)手機(jī)使用者的視線進(jìn)行了追蹤，成功模擬了手機(jī)的幾組外觀效果，避免了昂貴的手機(jī)樣機(jī)制作。

關(guān)鍵詞：人眼視覺；光線追跡；SPEOS CAA；BRDF

社會(huì)往往關(guān)注外表優(yōu)秀的人，手機(jī)也是一樣。智能機(jī)除了性價(jià)比之外，用戶更容易被手機(jī)的顏值所吸引。目前外觀設(shè)計(jì)成為手機(jī)行業(yè)新的競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)，工業(yè)設(shè)計(jì)一般會(huì)反復(fù)研究手機(jī)的配色、材質(zhì)、工藝、尺寸等，通過制作各種物理樣機(jī)來實(shí)際對(duì)比手機(jī)的外觀效果，對(duì)手機(jī)外觀苛刻的公司一般會(huì)反復(fù)制作手板，最終選取一個(gè)顏值最優(yōu)的方案進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。手板的制作一般耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。如何通過人眼視覺仿真模擬手機(jī)的顏值效果，降低打樣的次數(shù)，這一塊手機(jī)行業(yè)相關(guān)研究極少。

人眼視覺仿真遠(yuǎn)非普通的渲染，SPEOS CATIA是國(guó)際著名的光學(xué)仿真軟件，其人眼視覺仿真功能獨(dú)步全球。人眼視覺仿真一般是根據(jù)人體的生理反應(yīng)和心理感受， 來仿真人眼對(duì)光亮度、光顏色、光飽和度等條件的反應(yīng)。光源發(fā)出的光在3D場(chǎng)景中傳播， 一部分光直接射向觀察者，一部分光經(jīng)過反射后射向觀察者。根據(jù)觀察者的人眼捕捉到的光線和觀察者所在的視場(chǎng)角生成輝度分布，然后通過視覺仿真模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 從而仿真人眼對(duì)視覺圖像的反應(yīng)，查看仿真數(shù)據(jù)并將分析結(jié)果與各種標(biāo)準(zhǔn)和人類視覺生理學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較，這樣觀察者就可以看到真實(shí)的色彩與圖像。

本文的大體工作流程如下：

1）幾何建模：利用手機(jī)CAD模型，按照仿真

軟件的要求對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和修改；

2）光源建模：使用仿真軟件添加外部環(huán)境光源和手機(jī)顯示屏光源，詳細(xì)定義各光源的光學(xué)參數(shù)；

3）手機(jī)外觀材質(zhì)建模：通過材質(zhì)庫(kù)、光學(xué)仿真經(jīng)驗(yàn)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等定義各外觀材質(zhì)的光學(xué)屬性；

4）人眼視覺建模：按照手機(jī)觀察者的各種參考眼位，構(gòu)建視覺傳感器；

5）視覺仿真及分析：設(shè)置人眼視覺仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真分析，并與實(shí)際的樣品外觀比對(duì)。

1 手機(jī)材質(zhì)和工藝簡(jiǎn)介

電池蓋由透明PC注塑成型，然后經(jīng)過正反兩面噴涂，內(nèi)漾的幾何紋路非常出彩，使得手機(jī)看上去頗具立體感，強(qiáng)烈的珍珠白網(wǎng)格設(shè)計(jì)彰顯時(shí)尚。快門拍照按鍵是透明PC材質(zhì)，下邊緣噴涂綠色，底面噴涂白色，看起來具有翡翠的靈動(dòng)。攝像頭處也是透明的PC材質(zhì)，底面噴涂黑色，表面做CD紋路處理。正面蓋板為透明PC，非顯示區(qū)域絲印黑色，蓋板搭配一塊夏普顯示屏，具有鏡面質(zhì)感。正面鍵盤區(qū)采用白色鋼琴烤漆，字符區(qū)域絲印灰色。中間按鍵為透明PC材質(zhì)，底面絲印白色，缺口處絲印綠色，四周裝飾件是黑色塑膠注塑成型。

一般常用OPTIS 公司的SQUALE設(shè)備測(cè)量表面光學(xué)屬性與BRDF、測(cè)量材料的顏色光譜形成光學(xué)材料文件，導(dǎo)入SPEOS CAA中進(jìn)行模擬仿真?；蛘呤褂肙PTICAL BENCH測(cè)量三維光強(qiáng)分布、測(cè)量表面光學(xué)屬性與BRDF、BTDF等、測(cè)量材料的吸收光學(xué)屬性、測(cè)量光源或材料的顏色光譜數(shù)據(jù)。手機(jī)顯示屏一般采用PHOTOMETRICAL CAMERA測(cè)試三維的強(qiáng)度分布和亮度水平以及顏色光譜數(shù)據(jù)。

BRDF模型比一般的光線追跡分析更接近實(shí)際物體的表面光學(xué)效果。針對(duì)某個(gè)光學(xué)表面，BRDF模型用來描述入射角度方向上的光照強(qiáng)度怎樣影響某個(gè)出射角度上的輻射比率。

總而言之，BRDF模型闡述了入射光傳播到光學(xué)表面反射后在不同的出射角度上是如何分布的，包含了常見的漫反射、一般的鏡面反射、各向異性的反射、各向同性的反射等。對(duì)比常規(guī)的簡(jiǎn)單光線追跡，BRDF囊括了各種反射形式，比如打磨的玻璃、金屬拉絲表面、絲印工藝等。

BRDF模型又稱雙向反射分布函數(shù)，模型規(guī)定了光線在物體表面是如何傳播的，光線透射、吸收、反射的比率大小是多少。BRDF模型主要考慮的是光線透射、吸收和反射的比值是多少，它們是如何動(dòng)態(tài)變化的。

反射一般是漫反射，定義好了光源類型、物體表面材質(zhì)、觀察角度等，一般就可預(yù)見這些光線發(fā)生的各種變化。實(shí)際光學(xué)環(huán)境是立體三維的，光線角度有橫向和縱向上各種不同的散射角度，光線在物體表面的切向平面和法向平面上的分布規(guī)律構(gòu)成了BRDF模型的核心。雙向反射分布函數(shù)可以更全面地闡述光線在物體表面上發(fā)生的各種變化，這樣在模擬仿真平臺(tái)上，人眼可看到更佳的物體視覺效果，和現(xiàn)實(shí)人眼看到的物體外觀十分接近。

2 光源的參數(shù)設(shè)置

手機(jī)在不同場(chǎng)景下看到的效果不一樣，這里的環(huán)境光源定義。光譜采用軟件自帶的光譜類型，這里重點(diǎn)說明下環(huán)境的類型一般選擇HDRI File。HDR文件是一種高動(dòng)態(tài)范圍圖像，相比普通的圖像，可提供更多的動(dòng)態(tài)范圍和圖像細(xì)節(jié)，能夠更好地反映出真實(shí)環(huán)境中的視覺效果。

3 傳感器和仿真類型的建立

不同的角度觀察手機(jī)，由于光線的原因，有些角度看到的效果會(huì)差異比較大。為了仿真用戶在不同的角度下看到的手機(jī)外觀效果，必須設(shè)置不同方位分布的輝度傳感器。在模擬分析結(jié)束后，可查看不同視場(chǎng)角看到的手機(jī)外觀效果圖。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用人眼視覺仿真方法可比較真實(shí)的反映出產(chǎn)品的實(shí)際外觀效果，尤其是對(duì)于噴涂件和磨砂件，采用Monto-Calo方法可有效計(jì)算出其不同視角下的視覺效果。本文主要研究了手機(jī)外觀視覺仿真的流程和方法，建立了手機(jī)視覺仿真的模型。以CATIA為平臺(tái)，根據(jù)視線追蹤算法，利用SPEOS CAA的VE模塊對(duì)觀察者的視線進(jìn)行了追蹤仿真， 實(shí)現(xiàn)了在電腦上進(jìn)行手機(jī)外觀的光學(xué)模擬仿真， 并與實(shí)際手機(jī)的圖片進(jìn)行了對(duì)比。本論文所研究的手機(jī)外觀視覺仿真方法對(duì)于手機(jī)行業(yè)工業(yè)設(shè)計(jì)及項(xiàng)目評(píng)估具有明顯的工程使用價(jià)值。

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