[發明專利]以內外存交換方式實現基于點的全局光照效果的渲染方法

有效

• 申請號: 201410634696.3
• 申請日: 2014-11-12
• 公開（公告）號: CN104392480A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 王佩;王璐;徐延寧
• 申請（專利權）人: 山東地緯數碼科技有限公司
• 主分類號: G06T15/50
• 分類號: G06T15/50
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及圖形學真實感渲染領域，具體涉及一種以內外存交換方式實現基于點的全局光照效果的渲染方法。?

背景技術

在計算機體系結構的發展過程中，存儲結構逐漸形成了一種類似于金字塔的結構。上層的存儲部件，空間少，價格高，但速度快；下層的存儲部件，空間大，價格低，但速度慢。通常，計算機內存處于“金字塔”的上層，空間小、速度快，外存處于“金字塔”下層，空間大、速度慢。優秀的內存和外存調度算法是解決計算機內存瓶頸的有效途徑。?

三維影視動畫作品，帶給觀眾置身于其中的真實感受。在作品的制作過程中，藝術家們不斷追求場景中接近真實的光照效果?，F實世界中很多物體大部分或者全部被其他物體反射的光照亮，這部分光照被稱為間接光照。全局光照效果是指由直接光照和間接光照共同產生的光照效果，這種光照效果更加符合現實中的場景。比如人物皮膚的次表面散射效果，墻壁上的光影等。全局光照效果比直接光照展示的細節更豐富和真實。隨著人們對真實感的追求，以及計算機中復雜場景模型的出現，渲染時間和計算機內存占用空間成為制約三維影視作品創作的瓶頸。如何在渲染的效果與時間上找到平衡點，從而加快制作周期，成為影視動畫制作的關鍵問題。?

Kajiya于1986年提出渲染方程[The?rendering?equation]，描述原始光能傳遞方程。公式(1)描述了如何計算三維場景中某點x處的直接光照值和間接光照值。?

L_r(x,w_r)＝L_e(x,w_r)+∫_ΩL_r(x′,-w_i)f(x,w_i,w_r)cosθ_idw_i????公式(1)?

L_e(x,w_r)表示點x在方向w_r上對外輻射的總能量,f(x,w_i,w_r)表示光線發生變化的方程，描述了光源處發射的光線與場景中的物體相互作用，θ_i表示入射光線與點x所在表面的夾角，是已知量；L_r(x′,-w_i)表示從周圍表面傳遞來的光照，是求解全局光照的關鍵；L_r(x,w_r)為點x處的最終全局光照值。但此方程是無法通過直接求解得到全局光照結果。?

Christensen在文章[Point-based?approximate?color?bleeding]中提出基于點的全局光照方法。該方法分為兩步進行，第一步生成點云文件，點云文件保存了帶有直接光照的三維場景信息；第二步利用前面生成的點云文件計算全局光照效果。由于計算簡單，該算法與傳統的計算全局光照的算法相比，在時間及內存方面占有很大優勢，被廣泛應用于影視動畫的制作中。但?隨著大規模復雜場景的出現，所使用的點云文件會越來越大，是該算法的內存瓶頸。在電影《功夫熊貓2》的制作過程中，一個復雜場景生成的點云文件達到了88G。?

為了在有限的內存空間，正確有效的進行全局光照的計算，Kontkanen在文章[Coherent?Out-of-Core?Point-Based?Global?Illumination]中提出了核外基于點的一致性全局光照渲染方法。采用特殊的方法來構建八叉樹的數據結構，利用這樣的數據結構組織點云文件，將三維空間中的點進行編碼壓縮到一維空間，以最少的內存將點云文件的數據組織成一棵八叉樹，并采用分塊的方法將八叉樹存儲在磁盤上，在渲染時采用類似于緩存的方法，對點云文件進行有效的內外存調度。?

基于內外存調度的渲染方法成為將來渲染的必要選擇，但這種渲染方式，需要大量的I/O操作。聚類點云數據時，傳統的自頂向下的八叉樹構建方式效率非常低。如何以最少的I/O操作正確構建八叉樹，并提高內外存調度的命中率，成為提高渲染效率的關鍵。?

發明內容

為解決現有技術存在的不足，本發明公開了以內外存交換方式實現基于點的全局光照效果的渲染方法，當渲染大規模場景時，生成中間文件的大小遠遠大于內存空間，參考Kontkanen提出的核外基于點的一致性全局光照效果渲染的理論方法，對該項功能進行擴充和實踐，優化了渲染著色階段的數據調度，使最終能夠在有限的內存空間限制下，取得正確的全局光照渲染結果。?

為實現上述目的，本發明的具體方案如下：?