[發明專利]基于光線投射步進補償的實時煙霧渲染算法

有效

• 申請號: 201410039593.2
• 申請日: 2014-01-28
• 公開（公告）號: CN103886636B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 張丹;董建鋒;張大龍;李盼;趙磊;許端清
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06T15/08
• 分類號: G06T15/08;G06T13/60
• 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領域，尤其涉及一種基于光線投射步進補償的實時煙霧渲染算法。?

背景技術

煙霧渲染是通過各種方法將場景渲染成一個將煙霧作為參與媒介以模擬煙霧效果的過程。人們在對參與媒體的實際的模擬上已經做了大量的研究工作，雖然以前的技術已經可以在靜態畫面上做出令人印象深刻的渲染效果，但他們沒有提供一種可以對實時動畫序列進行渲染的有效方法。煙霧作為最常見的自然景物之一，它在游戲、電影特效中有著重要的作用。?

近年來，隨著煙霧的應用越來越廣，吸引了許多國內外學者的研究，很多新的方法涌現出來，并能得到一些比較好的效果。目前煙霧模擬的方法主要有：基于物理模型模擬、基于粒子系統模擬、基于密度函數模擬等。Ebert[1990]在進行擴散模擬時，簡單的假定光線傳播過程中最多只進行一次擴散，Max[1994]將該理論運用在參與媒介的渲染中，雖然該類方法非常的簡單，但是它的模擬效果也比較差。Stam[1993]提出了擴散過程的多重散射模擬方法，揭示了單散射的弊端，通過傳輸理論進行擴散的近似模擬推導，因為需要很高的計算代價和巨大的存儲需要他提出的方法不能很好的在3維場景中運用。采用Navier-Stokes方程和半拉格朗日方法求解煙霧的物理模型方程來模擬煙霧動畫，該方法根據流體力學原理進行物理模型的建立，并通過微分方程離散化計算煙霧的速度場和密度場，需要求解復雜的非線性方程組，不能達到實時性要求。采用粒子系統原理進行煙霧效果的模擬，使用大量具有一定生命周期和屬性的粒子作為煙霧模擬的基本元素，這類方法的問題在于對煙霧運動建模不夠精準，沒有考慮到煙霧的擴散特性。ZHUO[2008]提出了結合流體力學和粒子系統進行煙霧效果的模擬，并采用空間分割樹進行碰撞檢測，該方法效果較好，但是需要進?行復雜的計算，非常耗費時間。?

煙霧渲染因為對光線的傳播有著復雜的作用，一直是計算機圖形學中非常具有挑戰性的問題。由于煙霧空間不均勻，在煙霧中，光線在每個點上都會經歷吸收和散射現象。在靜態參與媒介中，散射作用的數量和復雜性導致龐大的計算開支。對于像煙霧這樣的動態媒介，結構的體積會隨著時間動態變化，其計算成本將會高到無法承受。?

發明內容

本發明提供了一種基于光線投射步進補償的實時煙霧渲染算法，大大地減少了時間和內存的消耗，且容易實施。?

一種基于光線投射步進補償的實時煙霧渲染方法，包括：?

（1）將原始煙霧的體積密度場序列函數分解成若干個帶權重的徑向基函數和一個殘余場函數，并確定各個徑向基函數的中心和半徑，以帶權重的徑向基函數的加權和為原始煙霧的近似密度函數；?

（2）分別計算各個徑向基函數的中心的單散射的源輻射值和多重散射的源輻射值，并將各個徑向基函數中心的單散射的源輻射和多重散射的源輻射值相加得到相應徑向基函數中心處的源輻射值；?

（3）針對待渲染圖像中的任意一個像素點，采用光線投射法的確定視點光線與原始煙霧的交點；?

（4）根據所有徑向基函數中心處的源輻射值、殘余場函數和近似密度函數，計算當前像素點對應的各個交點的源輻射值，并根據當前像素點對應的所有交點的源輻射值計算得到當前像素點的輻射能量；?

（5）根據待渲染圖像中所有像素點的輻射能量對待渲染圖像中進行渲染，得到渲染圖像。?

步驟（1）得到徑向基函數實際上為一個關于原始煙霧中點的坐標的函數，當涉及到具體的點時，即取相應點的函數值。?

本發明實時煙霧渲染方法中首先將輸入的由體積密度場序列代表的煙霧密度分解成一組帶權重的徑向基函數和一個殘余場，然后計算所有徑向基函數中心處的源輻射值，根據光線投射法的確定視點光線與原始煙霧?的交點，通過交點與徑向基函數的對應關系，計算得到該視點光線與原始煙霧的交點的所有交點的源輻射值，并根據所有交點的源輻射值計算當前像素點的輻射能量，并進一步得到所有待渲染圖像中所有像素點的輻射能量完成圖像渲染。?

本發明的實時煙霧渲染方法用賦予權值的徑向基函數近似表示原始煙霧，實際上可理解為將原始煙霧進行分割為若干個部分，大大降低數據總量從而節省內存，提高了煙霧渲染的速度，能夠實現實時煙霧渲染。且通過光線投射法確定視點光線與原始煙霧的交點，在光線步進中對利用殘余場對視點光線的輻射能量進行補償，處理快且能夠較好的保留原始煙霧的細節，提高渲染效果。?

所述步驟（1）包括步驟：?

（1-1）設定徑向基函數的個數，并根據原始煙霧的分布和徑向基函數的個數確定各個徑向基函數的中心；?