基於圖像照明 Image Based Lighting

基於圖像的照明一是種簡化的照明方法，將環境圖視為一個大光源，圖上 的每一點皆貢獻不同強度的照明，使得虛擬物體在不同環境也能呈現相應的光 照，如圖5，我們期望可以得到比較完整的光照效果，將圖像中的每個像素都視 為光源貢獻顏色與強度，但全都納入考量無疑會造成龐大的計算量，因此在許 多研究中提出不同的方法預先處理環境貼圖以加速計算過程，而常見的其中一 種方法Spherical Harmonic Lighting(球諧函數照明)[5]，將圖像轉為訊號以數學 的方式將大量的資訊轉為函數簡化繪製的過程。

圖 5：IBL 展示不同環境貼圖的照明[6]

近期Google 發佈了 ARCore 新的光照評估模式 Environmental_HDR[7]，在 之前的評估模式中AMBIENT_INTENSITY，只能知曉光的顏色以及強度，而新 模式提供了光的強度、方向、球諧係數(Harmonics Coefficients)以及立方體貼圖 (CubeMap)，從圖6中可以了解這些資訊帶來的效果。

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圖 6：ARCore-Environmental_HDR 模式可提供的效果[7]

光的強度和方向使物體表面產生明暗變化，且漸變方向逼近實際狀況；球 諧係數是經由機器學習分析目前拍攝的畫面，即時獲得的光照係數；HDR 立方 體貼圖則是取自真實世界的環景圖像，使光滑表面的物件可以呈現反射效果；

將這些效果整合後虛擬物體就能更貼近現實環境，下列圖7展示新功能在不同空 間中測試光照效果。

圖 7：Environmental_HDR 模式在不同環境的展示[7]

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2.5 360環景圖

環景圖(Equirectangular Panorama)如同包裹球體的表皮經過投影後形成的二 維平面圖，圖像的頂端與底端會匯集到球體的上下兩極，因此展開後就會如圖 11標示的上下兩端有有拉伸現象，繪圖過程中常用的兩種貼圖為球體映射 (Sphere Mapping)和立方體映射(Cube Mapping)，在現實中物體不僅反映自身的 色彩，也會反射周圍的景物，而以一個球體或天空盒(SkyBox)包覆模型模擬反 射效果，以圖8可以了解環景圖在不同的應用中轉換為不同的表示方法計算。

圖 8：環景圖轉換關係[8]

以貼圖環繞模型呈現環境反射早在1976年的研究中[9]就被提出，將矩形環 境貼圖反射在茶壺的表面，如圖9所示，當時攝影技術尚未成熟，雖然僅能使用 一般的平面圖作為環境資訊，但已然成為驅動更全面的環境反射之動力。

圖 9：電腦繪製平面貼圖反射在茶壺上[9]

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早期的環景攝影是在真實環境中放置鏡面球體繪製球體映射圖，球體的外 觀即為所需的紋理資訊，但是受到觀察視角的限制，實際上無法捕捉到完整環 境。立方體貼圖的生成相對簡單，六個方向分別對應六個面以90度錐狀體向外 延展進而捕捉某一面的環境畫面，之後將六個畫面拚在一起呈現環境圍繞效 果。隨著對環境資訊的需求增加，拍攝角度也逐漸增加；Paul Haeberli[10]利用 魚眼鏡頭可拍攝達180度的範圍，朝多個方向拍攝再加以拼接產生完整的環景 圖，如圖10。

圖 10：(左圖)180拍攝結果；(右圖)拼接兩張180圖像的360圖像[10]

到了360相機的誕生，使用一組雙鏡頭拍攝角度擴展到360度，透過儀器校 對並拼接兩個方向的圖像，並以圖11般變形的平面圖保存，本質上這張圖仍是 球體貼圖，也可以轉換為立方體貼圖的型態，不論何種形式皆保留了我們需要 的資訊。

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圖 11：360環景圖