随着基于物理的三维场景渲染技术在影音娱乐、工业设计等行业领域的大范围应用,业界对渲染真实感的要求也越来越高。渲染结果的质量与物体表面纹理材质的表现力密切相关,获取可以精确模拟具有复杂结构的物体表面的材质资源是提高渲染质量的关键。在基于物理的渲染中,我们采用微表面模型将物体表面建模为若干个微观镜面的集合来模拟不同的材质外观,使用法线贴图保存微表面上每个点的法线方向。高质量材质的采集、表示和制作一直是计算机图形学重点关注的核心领域。其中,微表面模型的制作过程还存在着许多待优化的问题。传统的微表面材质制作流程需要专业人员手工采集、设计,再借助3D建模软件生成法线贴图,生产流程效率低且很难保证贴图的质量。在实际应用与渲染过程中,我们发现手工制作的贴图有时会表现出不符合现实生活中的物理规律的外观,不能达到“以假乱真”的真实感渲染要求。业界对更高真实感的渲染效果的迫切需求推动着材质研究领域的飞速发展,研究者们不再局限于在材质构建和生成方面投入精力,而是把更多的目光转移到高精度材质逆向恢复和重构方面的研究。例如:从真实或合成图片中恢复材质贴图、预测材质表面的法线分布模型等工作。其中一般形式的材质贴图不能很好地表示高频材质表面,而预测法线分布模型的工作避开了微表面的显式建模,即使可以得到不错的视觉效果,但却不能保证该法线分布模型表示的材质在物理世界中是真实存在的。因此,有必要实现一种能够显式地恢复高频材质物体微表面模型的方法。本文聚焦于结构化微表面模型的表达和构建问题,针对目前领域中对微表面的参数化表示的研究空白,提出了一种结构化微表面模型的表示和构建方法。该方法将结构化微表面基元的几何模型转化为一种参数化表示,并以该参数表示为基础,设计了一系列微表面基元的产生式及排列式,对微表面进行显式地建模,最终得到微表面的法线贴图表示。本文提出的方法为微表面模型提供了一种基于物理的参数化表达体系以及一种简便的自动化微表面法线贴图制作流程,解决了传统微表面模型人工制作的低效性问题。在提高制作效率的同时,我们的方法也可以保证材质资源物理层面的合理性。针对微表面模型的逆向恢复问题,本文提出了一种基于单张图像的结构化微表面模型重建方法。该方法通过监督式学习,从单张渲染图像中恢复出图像中物体表面材质的微表面基元参数,利用这些参数对微表面模型进行有效地恢复与重构。使用本方法恢复的材质重渲染的图像能够与输入图像保持良好的特征一致性,并且可以作为材质资源为其他渲染引擎所使用。