照片级的真实感一直是影视和游戏产业的追求。借助基于物理的绘制我们可以得到逼真的画面,但自然界中仍存在很多无法模拟的复杂现象,这是当下绘制所面临的挑战之一。本文围绕材质和参与性介质这两个基于物理的绘制的基本要素展开研究。具体来说,本文的工作包括对特效涂料材质和空间相关介质的建模,以及对测量材质的分析和应用。本文工作可以分为以下几个部分:一、特效涂料的外观模型需要同时考虑高频的闪烁特征和薄膜干涉引起的彩虹色彩,不论哪一种效果的模拟都是有一定难度的。此外,还不能粗暴地将两者整合在一起,因为微面元分布和反射项是相关的。针对这一点,本文提出了一种多尺度的微面元模型,可以在展现局部颜色细节的同时保证全局的彩虹色模式。我们的模型在传统微面元模型的基础上,给每个微面元加上了一层厚度随机的薄膜。我们发现,一个像素内的总体反射服从高斯分布,且参数和薄膜厚度分布密切相关。假设薄膜厚度均匀分布,可以推导出高斯分布的均值和方差,继而能够高效地计算多个微面元的反射。为了验证本文模型的有效性,我们对比了模型的绘制结果和实拍的特效涂料照片。二、通过特殊仪器测量真实世界中材质样本对光的响应可以得到测量材质,其本质是表格化的双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)。原始数据的种种不便使得测量材质比较难以理解和使用,限制了它的实用性。为了解决这一问题,本文对MERL数据库中的材质进行了球面统计分析。首先,我们根据Phong模型对原始材质数据进行了漫反射—高光分离。接着,计算并分析了每个材质的反照率和散射矩阵。基于此,本文提出了一种面向测量材质的外观编辑方案。我们的方法对材质的漫反射部分和高光部分独立编辑,避免了混合编辑导致的不确定性。我们根据散射矩阵对材质聚类,选出不同粗糙度下的中心材质,通过在不同类别间转换来实现材质的高光编辑。最后重构出的新材质依然具有物理真实感,并可以应用于实时或离线绘制。三、传统介质的辐射度传输遵循指数法则,但对于空间相关介质这一点不再适用。本文提出了一种通用的、基于物理的空间相关介质的建模方法。我们引入了分数高斯随机场这一强大的数学工具,它在各个领域都有广泛应用,但在图形学中还很少被提及。借助分数高斯随机场,我们统一地研究了从高频振荡的噪声到具备一定连续性的高阶分数布朗运动的一系列随机场。这些随机场可以代表不同的相关性,而不同的的相关性代表了介质中微观粒子的不同空间分布。我们的方法首次同时考虑了短相关性和长相关性,扩展了可以处理的相关性范围。我们可以模拟的介质外观既包括传统的指数衰减,也包括强相关性导致的透明,并且能够在不同类型间平滑过渡。此外,本文方法可以比较容易地整合进现有的介质绘制框架。