[发明专利]一种微多边形光线跟踪的着色重用方法

说明书

技术领域

本发明涉及图形绘制技术领域，尤其涉及一种面向微多边形的光线跟踪方法。

背景技术

着色往往是电影品质级绘制的性能瓶颈。这种绘制通常基于Reyes体系结构，它使用微多边形（micropolygon）来表示高阶曲面或非常精细的对象。Reyes体系架构和微多边形的定义可参考：COOK, R. L., CARPENTER, L., AND CATMULL, E. 1987; The Reyes image rendering architecture. SIGGRAPH Computer Graphics 21, 4 (August), 95–102。为了降低着色的代价，先进的微多边形渲染器（如 Pixar公司的RenderMan）对微多边形的顶点进行着色计算，进而重用着色值算出每个可见性样本（或反走样样本）的颜色，然后合成最终图像。这样的着色重用策略能让着色率明显低于可见性采样率。对于需要很高可见性超采样率的高质量绘制（尤其是绘制散焦和运动模糊效果时）而言，这一点显得至关重要。

现有用于微多边形绘制的着色重用方法大多为光栅化绘制流水线设计。这些方法一般将反射和折射等光线跟踪效果视为着色的一部分，这导致所有反射/折射采样均需做着色处理，从而带来巨大的额外开销。由于光线跟踪在现代高品质绘制中日益重要，这一问题可能成为未来各种应用的主要障碍。本发明完成了一种用于高效微多边形光线跟踪、简单却有效的着色重用方法。与目前的微多边形光线跟踪算法相比，本发明的方法能将所需的着色计算量减小一个数量级，从而获得显著的性能提升。

大部分微多边形绘制方法都能够重用多个可见性采样中代价不菲的着色计算。这些方法假定相邻可见性采样间的着色值是连续且不会有明显变化的。现有的着色重用方法可分为对象空间方法和图像空间方法。对象空间重用方法可参考COOK, R. L., CARPENTER, L., AND CATMULL, E. 1987; The Reyes image rendering architecture. SIGGRAPH Computer Graphics 21, 4 (August), 95–102；BURNS, C. A., FATAHALIAN, K., AND MARK, W. R. 2010. A lazy object-space shading architecture with decoupled sampling. In Proceedings of HPG 2010, 19–28。图像空间重用方法可参考RAGAN-KELLEY, J., LEHTINEN, J., CHEN, J., DOGGETT, M., AND DURAND, F. 2011. Decoupled sampling for graphics pipelines. ACM Trans. Graph. 30, 3 (May), 17:1–17:17。

Stoll等人将对象空间的着色重用引入光线跟踪流水线，其方法可参考STOLL, G., MARK, W. R., DJEU, P., WANG, R., AND ELHASSAN, I. 2006. Razor: An architecture for dynamic multi-resolution ray tracing. Tech. rep., The University of Texas at Austin。他们使用光线导数（Ray Derivative）来控制着色计算率。关于光线导数的定义可参考IGEHY, H. 1999. Tracing ray differentials. In Proceedings of ACM SIGGRAPH ’99, 179–186。具体而言，他们保守地将衍生光线横截面的最小宽度离散化为若干预定义的对象空间细分网格，接着对至少有一束光线入射的细分网格做着色计算。正如他们在技术报告中里提到的，当出现高度的各向异性光线导数或明显的过度细分时，这样的方法会导致可观的过量着色。为了避免对光线导数行为的依赖，本发明的方法使用最邻近搜索来控制着色重用。这种搜索并不依赖细分，且能自适各向异性。