[發明專利]一種基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法

無效

• 申請號: 201310141422.6
• 申請日: 2013-04-22
• 公開（公告）號: CN103247070A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 趙磊;魯東明;任艷姣;陸勝;李偉
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06T15/50
• 分類號: G06T15/50
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及計算機圖形渲染技術領域，具體涉及一種基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法。

背景技術

近年來，實時真實感渲染方法的一個重要發展是復雜環境光源（環境圖）的應用越來越廣泛，在虛擬現實和游戲娛樂中復雜環境光也被大量的使用，這里所說的復雜環境光主要指成像設備從真實環境中采集的高動態范圍圖像光源。和傳統的虛擬光源（線光源、方向光源、點光源和區域光源）相比，復雜環境光從真實世界中采集，因此復雜環境光下的渲染結果通常會比傳統的虛擬光源下的渲染結果具有更高的真實感。然而，人的視覺系統能夠從真實的環境光產生的各種光學效果中獲得空間和色彩的線索，從而對物體與光源之間/場景中物體之間的空間關系產生更真實的感覺。

復雜環境光下的實時渲染是一個具有挑戰性的熱點問題。由于需要綜合考慮到各個方向的入射光，為了求得最終的渲染結果需要一個計算昂貴的半球面積分。通過引入光照預計算，可以減少運行時的渲染計算量，并使得實時渲染成為可能，但這同時產生兩個難題：首先，光照預計算結果的數據量很大，這些數據的存儲導致方法的空間復雜度大幅增加。其次，對許多實時交互的計算機圖形學應用而言，實時場景中的環境光源和對象都是動態改變的，如何在這些光源和對象動態改變后重新利用預計算結果，也是一個非常困難的問題。

目前，關于復雜環境光下動態場景和對象實時渲染方法的研究已經成為計算機圖形學渲染方向的一個研究熱點，許多方法已經被發表來從不同的角度解決這個問題。復雜環境光下的光照計算主要針對場景中的各視點方向射出的輻射亮度(Radiance)L，其中輻射亮度被定義為單位投影表面積上單位立體角的光線的功率，它和屏幕上像素RGB通道的亮度值成正比。復雜環境光下，三維對象表面上的一點x向ω₀出射的輻射亮度L(x，ω₀)可表示為單位球面上的積分。公式的成立主要基于如下幾個假設，一、復雜場景中沒有自發光對象，所有的光照能來自于環境光；二、對象的尺度要遠小于光源的尺度（所以被稱為環境光），因此在不同的點x上，入射光源用L(ω_i)表示；光在由光源進入視點的時候最多被對象反射一次，光在物體之間的相互反射被忽略，這被稱為直接光照照明。

復雜環境光的頻率表達：復雜環境光下的光照運算和表達方法是相關的。表達環境光的方法是以一定的分辨率采樣各個方向上的輻射亮度。另外的方法是將L(ω_i)分解到一組球面基上，方法中經常被使用的基函數有：小波基函數、球面徑向基函數(SBRF)和球面諧波基(SH)函數。低頻復雜環境光下的實時渲染方法，大部分的復雜環境光下的實時渲染方法都利用了光傳播的線性特性，即出射的亮度函數是對入射亮度函數增加了一個線性算子的結果。這意味著由公式表達的復雜環境光產生的出射亮度是基函數產生的出射亮度的線性組合。

發明內容

本發明提供了一種基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，該方法支持實時地改變原始入射光輝、視點的方向以及雙向反射分布函數(BRDF)，渲染真實感高，速度快，使復雜環境光下的實時渲染成為可能，在處理動態的BRDF時，本發明的方法高效地反應出對表面點的反射及入射光輝的BRDF改變的效果。

一種基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，應用于處在環境圖作用下的三維模型的渲染，包括以下步驟：

(1)首先將BRDF進行基于張量的建模，采用可調節的光照、視點和反射項三部分進行表達；

(2)將作用于三維模型的光線分為直接光照和間接光照，并分別進行預計算，其中對于間接光照采用張量進行表達；

(3)利用步驟（2）的預計算結果，對三維模型進行渲染。

本發明采用張量來對BRDF進行建模表示，同時支持光照、視點等參數的調節；對于入射光輝來講，場景中的間接光輝和BRDF之間有著非線性關系，使得諸如PRT的線性光傳輸框架不合適。為了解決上述問題，本發明引進了預計算轉移張量（PTT）來將間接光照分解成場景中的每個BRDF函數的預計算部分，并且可以在運行時快速地結合起來以保證正確計算入射光輝，通過基于PTT的重光照，間接光照的交互式性能在BRDF動畫和材料動態改變的應用中得到了保證。