[發明專利]三維場景中由透明幾何對象產生的面焦散效果的近似繪制方法

有效

• 申請號: 201510425208.2
• 申請日: 2015-07-14
• 公開（公告）號: CN105096371B
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 陳純毅;楊華民;李華;蔣振剛;曲福恒;李巖芳
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G06T15/06
• 分類號: G06T15/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.三維場景中由透明幾何對象產生的面焦散效果的近似繪制方法，其特征在于，技術解決方案和所需的實現步驟如下：

本方法涉及一種數據結構PHOTON，數據結構PHOTON包括位置P0、法向量nv、入射向量Vi、亮度Φi共四個成員變量；本方法涉及一種數據結構SPOINT，數據結構SPOINT包括位置P0、法向量nv、漫反射系數kd共三個成員變量；本方法的技術解決方案：將三維場景中的所有幾何對象分為透明幾何對象和非透明幾何對象；透明幾何對象就是光可以透過的幾何對象，非透明幾何對象就是光完全不能透過的幾何對象；將所有透明幾何對象用一個場景圖SGT來進行組織，將所有非透明幾何對象用一個場景圖SGF來進行組織；將場景圖SGT和場景圖SGF都保存在計算機系統的內存中；在計算機系統中執行如下操作：

Step001：設置列表LPHOTON為空；根據點光源PS的光照發射強度的空間角度分布，對點光源的光照發射方向進行重要性采樣，得到N個采樣方向，每個采樣方向對應一條從點光源PS發射的光線，從而得到N條從點光源PS發射的光線，對其中的每條光線A001，做如下操作：

Step001-1：判斷光線A001是否與場景圖SGT中的幾何對象相交，如果不相交則轉步驟Step001-9；

Step001-2：計算光線A001與場景圖SGT中的幾何對象的離點光源PS最近的交點A002；

Step001-3：判斷光線A001是否與場景圖SGF中的幾何對象相交，如果不相交則轉步驟Step001-6；

Step001-4：計算光線A001與場景圖SGF中的幾何對象的離點光源PS最近的交點A003；

Step001-5：如果交點A002到點光源PS的距離大于交點A003到點光源PS的距離，則轉步驟Step001-9；

Step001-6：基于光線跟蹤原理，對光線A001在由場景圖SGT和場景圖SGF中的所有幾何對象組成的三維場景中的傳播過程進行跟蹤，依次計算光線A001對應的傳播路徑與三維場景中的幾何對象的交點A004，只要發現交點A004所在的幾何對象的表面的材質為非透明材質，就立即停止光線跟蹤計算，并轉步驟Step001-7；如果對光線A001對應的傳播路徑跟蹤完畢后，未發現所在表面的材質為非透明材質的交點，則轉步驟Step001-9；

Step001-7：如果交點A004所在的幾何對象的表面為非漫反射材質，則轉步驟Step001-9；

Step001-8：在計算機系統的內存中創建一個數據結構PHOTON類型的變量A005；把變量A005的位置P0成員變量賦值為交點A004所在的位置；把變量A005的法向量nv成員變量賦值為交點A004所在的位置的表面法向量；把變量A005的入射向量Vi成員變量賦值為光線A001對應的傳播路徑在交點A004處的單位化后的入射方向向量；根據點光源PS的光照發射功率及光照發射空間角度范圍，計算點光源PS發射的光照經光線A001對應的傳播路徑傳輸后，入射到交點A004所在的位置的光亮度A006，把變量A005的亮度Φi成員變量賦值為光亮度A006；把變量A005加入到列表LPHOTON中；

Step001-9：針對光線A001的操作結束；

Step002：創建一個Nr行、Nc列的二維數組Arr，用于存放數據結構SPOINT類型的變量，Nr是虛擬相機的總像素行數，Nc是虛擬相機的總像素列數，數組Arr的元素與虛擬相機的像素一一對應；創建一個Nr行、Nc列的二維數組IMAG，用于存放虛擬相機的每個像素對應的入射光亮度值，Nr是虛擬相機的總像素行數，Nc是虛擬相機的總像素列數，數組IMAG的元素與虛擬相機的像素一一對應；把場景圖SGT和場景圖SGF合并為一個場景圖SGA；在計算機系統中，利用光線跟蹤技術繪制由場景圖SGA中的所有幾何對象組成的三維場景A007，得到虛擬相機的每個像素A008對應的入射光亮度值Lrt，將每個像素A008對應的數組IMAG的元素賦值為光亮度值Lrt；在光線跟蹤過程中，對每條相機光線A009，即從虛擬相機位置出發穿過像素A008的中心位置的光線，除光線跟蹤操作外，額外做如下操作：

Step002-1：如果光線A009與三維場景A007中的幾何對象不相交，則轉步驟Step002-3；

Step002-2：計算光線A009與三維場景A007中的幾何對象的離虛擬相機位置最近的交點A010；創建一個數據結構SPOINT類型的變量A011；將變量A011的位置P0成員變量賦值為交點A010所在的位置，將變量A011的法向量nv成員變量賦值為交點A010所在的位置的表面法向量；如果交點A010所在的位置對應的表面為漫反射材質，則將該表面的漫反射系數賦值給變量A011的漫反射系數kd成員變量，否則將變量A011的漫反射系數kd成員變量賦值為-1；將光線A009對應的像素A008對應的數組Arr的元素賦值為變量A011的值；轉步驟Step002-4；

Step002-3：創建一個數據結構SPOINT類型的變量A012，將變量A012的位置P0成員變量賦值為位置(0，0，0)，將變量A012的法向量nv成員變量賦值為向量(1，0，0)，將變量A012的漫反射系數kd成員變量賦值為-1；將光線A009對應的像素A008對應的數組Arr的元素賦值為變量A012的值；

Step002-4：針對光線A009的操作結束；

Step003：對列表LPHOTON中的每個數據結構PHOTON類型的變量B001，做如下操作：

Step003-1：以變量B001的位置P0成員變量表示的位置為球心，確定一個半徑為R的球B002；判斷數組Arr中是否存在滿足如下條件的元素B003：

條件COND1：元素B003對應的數據結構SPOINT類型的變量的漫反射系數kd成員變量的值不等于-1，且元素B003對應的數據結構SPOINT類型的變量的位置P0成員變量表示的位置處于球B002內；

如果數組Arr中不存在滿足條件COND1的元素，轉步驟Step003-2，否則對數組Arr中滿足條件COND1的每個元素B005，做如下操作：

①令D等于從元素B005對應的數據結構SPOINT類型的變量的位置P0成員變量表示的位置到變量B001的位置P0成員變量表示的位置的距離；如果R等于0，則令t＝2，否則令t＝D/R；

令

令Φ_p等于變量B001的亮度Φi成員變量的值；令ω_i等于變量B001的入射向量Vi成員變量的值；令n_p等于元素B005對應的數據結構SPOINT類型的變量的法向量nv成員變量的值；令ω_o為從元素B005對應的數據結構SPOINT類型的變量的位置P0成員變量表示的位置指向虛擬相機位置的單位向量；令ρ等于元素B005對應的數據結構SPOINT類型的變量的漫反射系數kd成員變量的值；根據漫反射定律計算從ω_i表示的方向入射的、亮度為Φ_p的光經漫反射系數為ρ的漫反射表面反射后，沿ω_o表示的方向入射到虛擬相機中的光亮度Lc；令LW等于光亮度Lc與C_κ之乘積；

②把元素B005對應的虛擬相機像素對應的數組IMAG的元素賦值為元素B005對應的虛擬相機像素對應的數組IMAG的元素的值與LW之和；

③針對元素B005的操作結束；

Step003-2：針對變量B001的操作結束；

Step004：把數組IMAG中保存的光亮度值轉換成虛擬相機像素的顏色值，并以圖像文件的形式輸出到計算機系統的磁盤中。