[发明专利]相干核外基于点的全局照明

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形，更具体地说涉及用于利用核外基于点的全局照明(out-of-core point-based global illumination)来有效渲染(render)场景的计算机系统和处理器。

背景技术

全局照明是计算机图形中用来为场景添加更真实的采光的技术。已知的一种全局照明方案是基于点的全局照明(PBGI)方案(请参见Per H.Christensen，“Point-based approximate color bleeding，”Pixar Technical Memo#08-01(July 2008)，下文称为“Christensen 2008”)。PBGI通常涉及用于间接照明整合(illumination integral)和吸收整合(occlusion integral)的解决方案。利用PBGI，场景中被直接照亮的几何区域由点云示意来表示，通常在对场景进行渲染之前在预计算阶段产生该点云示意。

点云中的一个点是包含能量信息的三维空间中的一个位置。在一个示例中，点可以是面元(surfel)的数据示意，面元是虚构出场景中的不同对象的小型圆盘形表面元素。如Christensen 2008中所描述的那样，不同对象的表面被细分成小型微多边形，并且利用每个点存储从每个微多边形发射出来的光能(例如辐射)。点还可存储其它信息，包括位置、表面法线、有效面积、点半径等。如Christensen 2008中所描述的那样，点中存储的有效面积以及点半径不是同样的东西；相反，它们是点尺寸的不同表达。点半径定义了点所表示的微多边形。这就确保了表面完全被点覆盖，其间不存在缝隙。有效面积是点的实际面积，实际面积小于与点半径相对应的面积。

为了有效地利用PBGI解决照明整合，所产生的点云进一步组织成多分辨率详细程度的层次结构。例如，八叉树(Octree)结构可用于通过递归地将空间细分成八个八分圆来划分点云所表示的三维空间。八叉树数据结构是其中每个内部节点具有多达八个子节点的树数据结构。八叉树中的叶节点存储了针对叶节点中的各个点所覆盖的空间体积的点云中的各个点和点簇。叶节点之外的每个节点存储了作为处于特定体积内的点的集合的近似的点簇。例如，点簇示意包括针对簇的平均位置、以及从各个方向看到的簇的突出区域和发生能量(分别是指向突出区域以及指向发射能量)。

在产生八叉树层次结构之后，全点云和八叉树层次结构随后都可用来计算间接虚拟相机看到的“明暗处理(shading)位置”处的照明整合和吸收整合。但是，不是八叉树的所有结构都必须用来计算特定明暗处理位置处的整合。例如，当对象远离场景中的明暗处理位置时，八叉树的较少的提炼出来的节点被用来计算各种整合。当对象靠近时，可使用更多的提炼的节点或者甚至各个节点。但是，使用更多的提炼的节点来计算整合意味着更长的明暗处理时间。

上述八叉树成簇技术显著地降低了解决实际整合的复杂度。然而，用来建立八叉树簇的算法所需的执行时间的量具有至少O(n log n)的复杂度级别，并且存储前述数据结构的存储器的量具有至少O(n)的复杂度级别，其中n是点云中输入点的数量。并且，PBGI在制造中被用来渲染复杂场景，从而点云中的点以及八叉树结构中主存储器(或机器中的内置存储器)中的存储快速地变成对点云中的点数的限制因素。

高质量动画片中使用的渲染的图像必须是画面真实的。增大画面真实度的一种方法是增大点云中的点数。但是，如上所述，点数受到可用的主(核内)存储器的容量的限制。因此，需要一种采用有限的存储器量同时实现点云中增多的点数的技术。

发明内容

在此描述了针对核外PBGI的方法、系统和设备，其可在用户指定的存储器容量(memory cap)中操作。核外PBGI通过一致地对压缩以便明暗处理期间的后续访问的盘上数据进行排序和存储来使用核外存储器。并且，通过利用空间填充曲线的特性，可以通过两种通道来预先处理数据：排序通道和八叉树结构通道。

在产生点云示意之后，可根据其莫顿次序来对点云中的点进行排序。可针对点云中的点来构建八叉树结构。排序允许八叉树数据结构被内置在通过该点的单个流通道中。八叉树数据结构中的点和节点随后可写入一个或多个核外存储装置。在最终的明暗处理期间，可以通过对八叉树执行深度优先遍历、并选择适当的详细等级，来对每个明暗处理位置进行明暗处理。由于存储方法，所以明暗处理所不要求的八叉树的一部分无需载入主存储器中，从而释放了用于对场景进行明暗处理的主存储器要求。