[發(fā)明專利]一種參與介質(zhì)的路徑引導(dǎo)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911244447.2
• 申請日: 2019-12-06
• 公開（公告）號(hào): CN111161384B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王貝貝;鄧鴻
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T15/00
• 分類號(hào): G06T15/00;G06T15/06
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

1.一種參與介質(zhì)的路徑引導(dǎo)方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一，使用S-D樹結(jié)構(gòu)來表示學(xué)習(xí)體積介質(zhì)中的入射輻射度分布，具體包括S樹學(xué)習(xí)階段和D樹學(xué)習(xí)階段：

1.1S樹學(xué)習(xí)階段，從光線側(cè)學(xué)習(xí)體積介質(zhì)中采樣點(diǎn)的入射輻射度分布，建立介質(zhì)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

1.2D樹學(xué)習(xí)階段，當(dāng)光子到達(dá)S樹葉節(jié)點(diǎn)時(shí)，建立方向域四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

步驟二，依據(jù)介質(zhì)的相位函數(shù)各項(xiàng)同性程度選擇采樣策略對路徑采樣過程進(jìn)行引導(dǎo)，包括多重重要性采樣和重要性重采樣；

步驟二的實(shí)現(xiàn)過程為：用重要性再采樣方法對入射輻射率分布函數(shù)和相位函數(shù)的乘積進(jìn)行采樣，首先按照傳統(tǒng)的路徑追蹤方法渲染開始隨機(jī)游走，從相機(jī)處發(fā)射光線并追蹤，當(dāng)光線到達(dá)體積介質(zhì)時(shí)，對于每次散射事件，使用預(yù)先訓(xùn)練的S-D樹來進(jìn)行下一個(gè)隨機(jī)游走方向的采樣，首先遍歷S樹以找到包含該散射事件的葉結(jié)點(diǎn)，然后使用葉結(jié)點(diǎn)中的D樹進(jìn)行方向采樣，選擇下一次隨機(jī)游走方向進(jìn)行路徑引導(dǎo)的時(shí)候采用重要性重采樣和多重重要性采樣方法的組合計(jì)算方法選擇下一次隨機(jī)游走方向，通過對學(xué)習(xí)的入射方向和相位函數(shù)進(jìn)行重要性重采樣和多重重要性采樣方法的組合來計(jì)算出射方向；

采用重要性重采樣和多重重要性采樣方法的組合計(jì)算方法選擇下一次隨機(jī)游走方向的具體步驟如下：

2.1計(jì)算當(dāng)前隨機(jī)游走所到達(dá)的節(jié)點(diǎn)的介質(zhì)的各向異性系數(shù)g，如果g小于0.5，進(jìn)行傳統(tǒng)的多重重要性采樣，得到下一次游走方向，采樣步驟結(jié)束，否則執(zhí)行下一步；

2.2遍歷S樹以找到包含該散射事件的葉結(jié)點(diǎn)，找到葉結(jié)點(diǎn)中的D樹，準(zhǔn)備進(jìn)行方向采樣；

2.3將相位函數(shù)和D樹所表達(dá)的分布函數(shù)的加權(quán)和作為原函數(shù)，對其采樣得到n個(gè)出射方向候選方向

2.4使用下列公式估計(jì)每個(gè)候選方向的權(quán)重，并且計(jì)算候選方向權(quán)重的累積分布函數(shù)CDF，候選方向的權(quán)重：

其中，k代表第k個(gè)候選方向，表示入射輻射度分布函數(shù)的概率強(qiáng)度函數(shù)，q_p表示相位函數(shù)的概率強(qiáng)度函數(shù)，μ是相位函數(shù)的權(quán)重；

2.5采樣上一步計(jì)算的CDF，并且得到優(yōu)化的最終采樣的下一次游走方向，實(shí)現(xiàn)路徑引導(dǎo)；

2.6為了保證估計(jì)量的無偏性，使用下列新公式估計(jì)路徑在選定方向上的散射事件，即每個(gè)候選方向s的權(quán)重，估計(jì)散射事件，按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟1.1所述的S樹學(xué)習(xí)階段的方法為：對于每種介質(zhì)，從軸對齊包圍盒開始構(gòu)建空間樹，當(dāng)包含的樣本數(shù)大于閾值時(shí)，將結(jié)點(diǎn)分為兩個(gè)子結(jié)點(diǎn)，并迭代選擇劃分維度；閾值取決于迭代，也就是其中，c是與D樹的分辨率相關(guān)的常數(shù)，設(shè)置為12000；k表示迭代次數(shù)；S樹的結(jié)點(diǎn)數(shù)由內(nèi)存預(yù)算或確切的結(jié)點(diǎn)數(shù)N限定。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于S樹學(xué)習(xí)階段的具體實(shí)現(xiàn)過程為：

1.1.1構(gòu)建S樹：對于每種介質(zhì)，從場景的軸對齊包圍盒AABB構(gòu)建S樹的根節(jié)點(diǎn)；

1.1.2從燈光發(fā)射光子，當(dāng)光子到達(dá)介質(zhì)時(shí)，讓光子在場景中隨機(jī)游走，對于每個(gè)散射事件，通過對相位函數(shù)進(jìn)行采樣來獲得出射方向；

1.1.3每當(dāng)光子到達(dá)一個(gè)S樹節(jié)點(diǎn)，計(jì)算當(dāng)前結(jié)點(diǎn)包含的光子樣本數(shù)，當(dāng)包含的樣本數(shù)大于閾值時(shí)，將結(jié)點(diǎn)分為兩個(gè)子結(jié)點(diǎn)，將當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的D樹拷貝到每個(gè)子節(jié)點(diǎn)，并從0開始迭代選擇劃分維度；閾值取決于迭代次數(shù)，其中c是與D樹的分辨率相關(guān)的常數(shù)，設(shè)置為12000；k表示迭代次數(shù)；

1.1.4S樹的結(jié)點(diǎn)數(shù)由內(nèi)存預(yù)算或確切的結(jié)點(diǎn)數(shù)N限定，當(dāng)結(jié)點(diǎn)到達(dá)最大預(yù)算時(shí)，構(gòu)建S樹完成；否則，繼續(xù)隨機(jī)游走在到達(dá)新散射事件的時(shí)候執(zhí)行步驟1.1.1。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟1.2所述的D樹學(xué)習(xí)階段的方法為：當(dāng)?shù)竭_(dá)S樹葉結(jié)點(diǎn)時(shí)，從一個(gè)球面域開始構(gòu)建一個(gè)四叉樹方向節(jié)點(diǎn)，并將其進(jìn)一步分為四個(gè)子結(jié)點(diǎn)，當(dāng)每個(gè)四叉方向樹結(jié)點(diǎn)包含的總能量大于整個(gè)四叉方向樹中總能量的1％時(shí)，將其細(xì)分為等能量的四個(gè)子節(jié)點(diǎn)，當(dāng)訓(xùn)練完成之后，一個(gè)D樹即代表一個(gè)方向域的入射輻射度分布，而整個(gè)S-D樹則代表了整個(gè)介質(zhì)空間中的入射輻射度分布。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于D樹學(xué)習(xí)階段的具體實(shí)現(xiàn)過程為：

1.2.1構(gòu)建D樹：D樹實(shí)際是一顆四叉樹，當(dāng)每一個(gè)光子到達(dá)S葉結(jié)點(diǎn)時(shí)，從一個(gè)球面開始構(gòu)建一個(gè)四叉樹結(jié)點(diǎn)；

1.2.2根據(jù)光子的方向，遍歷D樹，當(dāng)?shù)竭_(dá)葉子結(jié)點(diǎn)時(shí)，記錄光子的能量數(shù)據(jù)；

1.2.3計(jì)算結(jié)點(diǎn)的總能量，當(dāng)每個(gè)結(jié)點(diǎn)包含的能量大于整個(gè)方向樹中總能量的1％時(shí)，將四叉樹細(xì)分，能量平均分配；

1.2.4若所有光子發(fā)射完畢，四叉樹構(gòu)建完畢；否則發(fā)射新的光子，繼續(xù)進(jìn)行隨機(jī)游走。