[发明专利]一种光照烘培的方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形学技术领域，尤其涉及一种光照烘培的方法。

背景技术

在计算机图形学应用领域，全局光照效果发挥着重要的作用。这些效果一般包括软阴影、间接光照、反射和折射等。然而，它们算法一般比较复杂且耗时，对于复杂的应用或场景，很难达到实时性能。目前比较普遍的解决方案，是提前将这些效果预计算好，然后把结果保存在顶点的属性里或者以纹理的方式保存，也称为烘焙。属于该种类型的技术主要包括：辐射体(irradiance volume)、预计算的辐射度传播(pre-computed radiance transfer PRT)、环境遮挡(ambient occlusion)和软阴影(soft shadow)。

最近的商业软件，比如3dsmax、Blender、Beast、Maya，都提供了强大的建模和烘焙工具。应用最广的烘焙技术包括顶点烘焙和纹理烘焙。顶点烘焙将光照信息预计算并存储在模型的顶点属性里。这种技术一般需要较少的存储，通过硬件插值操作来恢复原始光照信号。不过，对于面积比较大的三角形来说，这种方法一般不能重构出光照信号，因为它所依赖的硬件插值操作，目前还不能支持复杂的插值函数。这样会造成一些走样问题，比如光照的不连续现象。纹理烘焙，通常也成为光照图技术，将光照信息存储在纹理里面。由于纹理里面包含了更多的采样并且硬件支持复杂的纹理过滤技术，这种方法一般可以产生高质量的实时视觉效果。不过，对于复杂场景来说，纹理以及纹理坐标一般会占用大量的存储，这往往会对实时性能以及可用性产生很大的制约。

为了更好的利用纹理存储，还有一类方法通过在顶点上存储约简的数据来代替纹理，从而减少实时绘制时的存储。Mesh Colors发表在2012年Transaction on Graphics的一篇文章。它在模型的顶点上存储多个三角形内部的颜色采样值。这种虚拟细分的方法不需要纹理方法中的参数化，而且还能避免纹理方法中缝隙不连续的走样问题。不过，它需要通过片元着色器(fragment shader)实现mip-map信号重构算法。这在纹理方法里是伴随着硬件插值和光栅化之后，通过硬件实现的。因此这种方法会严重的影响实时的性能，只能用于比较小的场景里。最小二乘顶点烘焙(Least Squares Vertex Baking)通过在顶点位置计算最小二乘意义的最优颜色解，从而达到最大的近似原始光照图信号的目的。为了避免颜色梯度不连续，他们还提出一个修正项来最小化错误率从而保持最优解。这种方法比其他的顶点烘焙方法可以产生更精确的顶点颜色属性，适合低频光照场景以及充分细分后的场景。然而，对于一些粗糙的模型，比如包含稍大三角形的模型，即使使用该种方法，也很难得到好的效果。最近，一些研究者开始尝试使用混合方法来解决这个问题。Schafer等人混合基于顶点和基于纹理的存储方式。他们在高频的区域，使用纹理的方法，低频的地方就是用最小二乘意义的优化顶点颜色插值。通过这种方式恢复原始的光照图信号。最后，他们融合两种存储方式，避免在接缝处的不连续。为了进一步约简纹理数据存储，同样是Schafer等人在顶点处存储多分辨率的属性值，然后通过硬件细分操作实现近似纹理方法的效果。不过由于他们在数据结构上使用了不连续的内存布局(顶点、边、面上的数据单独存储)，在实时绘制时，属性的查询制约了性能。

模型细分算法一直以来都是一个比较热门的研究领域。Krivanek等人提出一种算法，可以在辐射度(Radiosity)预计算的时候，通过考虑相邻面片的辐射度变化，从而在变化快的区域进一步细分。这种方法可以加快辐射度算法的预计算，不需要像传统的均匀细分的方法一样消耗大量的时间。Coombe等人提出一种硬件加速的逐步求精辐射度实现方法。他们在纹理空间细分面片，通过考虑辐射度梯度的变化量。不过这种方法仅能细分四边形场景。后来Wallner改进了算法，可以支持任意的三角形场景的细分。Bosch等人提出一种基于自适应细分的交互性日光光照系统。它提供了一种自适应的模型细分方法。不过其细分算法依赖于迭代的可见性计算，这是个耗时很严重的步骤，限制了其性能。所有的上述细分方法，都是依赖于具体的渲染技术，比如辐射度、PRT等。

Schafer发表在Computer&Graphics2012(CG2012)的一篇文章，题目是Memory Effi cient Light Baking(内存有效的光照烘焙)，其要解决的问题是纹理烘焙过程中纹理存储太多的问题。文章提出一种混合的光照烘焙方法，结合了顶点烘焙和纹理烘焙。具体的算法流程如下：