[发明专利]一种物理实时渲染三维场景的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机图形学领域，尤其是涉及一种物理实时渲染三维场景的方法及系统。

背景技术

计算机图形学领域，人们研究出了不少模拟场景光照效果的方法。曾经流行的一种局部光照渲染的方法是，通过建立物体和场景的三维模型及设定虚拟光源，用数学模型处理光源、物体与光源的简单几何关系、物体表面材质，计算此光源在模型上形成的反射效果。这种局部光照渲染方法的仿真程度并不高，它的巨大局限是，对物体及光源间几何关系化简过渡，只计算物体及光源的关系，而忽略了场景内各物体对光路的影响，从而略去了许多诸如阴影、折射、多次反射等效果。再者，由于光源建模的困难，这种方法多数只用来处理有限的点状光源或平行光源。

对图片质量要求较高的情况下，人们使用光线跟踪的方法。这种方法通过选取一定数量的“光子”，根据几何光学定理模拟这些光子的传播，从而计算出最终的图像。一种比较主流的光线跟踪算法称为Monte Carlo Ray Tracing。这种方法的优点是，创造出来的图像真实度极高。而缺点则为，由于选取光子数量极大，光子运动路径计算耗时，光线跟踪虽能达成很好的图像效果，但运算时间长，若要实时渲染动画场景，则需运用大量CPU同时计算。

全局照明(Global Illumination)明技术可以生成具有真实感的图像.模拟光在虚拟场景中的传播行为，可以得到现实世界中的各种光影效果，包括光源与物体直接作用产生的直接光照明效果，以及由于光能在物体之间的相互反射产生的间接光照效果.最终产生的图像决定于光源、场景中物体的几何形状、相互位置关系以及物体的表面材质.因此，使用全局照明(Global Illumination)的渲染场景看起来更加真实化。

还有一类实时全局照明(Global Illumination)渲染方法，常用来处理能处理有限点光源或平行光的普通阴影效果。这类方法包括阴影图(shadow map)和阴影体(shadow volume)。它们通过多次渲染，对每个简单光源，计算出场景内能被其直接照射的部分，并只对这些部分计算反射光线强度。由于这类方法的运算量较小，实时性较好，在游戏画面实时渲染方面有较大优势，且目前获得了较为广泛的应用。而其缺点，由于只能处理简单光源及其产生的硬阴影，不能处理软阴影及由多次反射等造成的复杂光照效果，图像真实感远不如光线跟踪算法

光线追踪计算已用于创建三维制作设计软件，但还不能有效地产生实时具有照片级真实感的高质量三维场景。一些三维软件如(3DMAX Maya等)允许用户通过更改观看方向或一些物体的颜色、材质等渲染场景。但是，这样渲染的场景更像是二维阴影及质量很低而不是具有真实感的高质量三维数字场景。以及为了实现足够高的帧速经常使用一些不正确的近似甚至是欺骗的手段。例如，用户渲染一个低质量场景然后产生最终静态场景后，必须进行一个单独的进程在新窗口中渲染相同的高质量场景。新场景是不可控制的，如果用户想看不同外观的高质量场景，必须返回低质量场景进行更改，然后渲染一个新的高质量场景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种物理实时渲染三维场景的方法及系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种物理实时渲染三维场景的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)加载模型到三维场景；2)使用至少一种更新应用到三维场景；3)更新三维场景的照明；4)物理光谱计算；5)实时渲染包含实时交互显示的三维摄像机。

所述的步骤1)具体为，高动态范围渲染导入物体的三维场景。

所述的高动态范围渲染包括：加载高动态范围球形场景；闭合高动态范围场景；实时添加阴影至高动态范围场景。

所述的步骤2)中的更新应用包括：更新场景的背景；更新场景中摄像机镜头角度及位置；更新场景中的照明；更新材质。

所述的更新材质具体为，通过漫反射、光子映射、高光和镜面反射参数显示场景物体的材质，以及实时更新材质的参数。

所述的步骤3)具体为，更新直接和间接照明，以及更新至少一个焦散、折射、反射和高光反射。

所述的步骤5)中的实时渲染具体为，渲染一次反射形成的直接光照和两次反射形成的间接光照实时更新。

一种物理实时渲染三维场景的系统，其特征在于，该系统包括输入设备、处理模块、显示模块，所述的输入设备与处理模块相连，所述的处理模块与显示模块相连，所述的输入模块包括键盘、鼠标、手写板，所述的处理模块包括数据处理模块和软件数据处理模块。