[发明专利]一种基于GPU加速的体数据非真实感绘制方法

说明书

技术领域

本发明属于非真实渲染及体绘制技术领域，具体涉及基于GPU加速的体数据非真实感绘制方法。

背景技术

非真实感绘制作为真实感绘制的有效补充，其目的不在于图形的真实性，而主要在于产生一种与艺术家作品相近的艺术效果，表现出图形的艺术特质，它已在教育、娱乐、艺术等领域得到了广泛应用。然而由于三维数据规模不断增大，处理方法日益复杂，非真实感体绘制也面临着与传统体绘制同样的难题：图像质量与绘制速度的矛盾。而随着可编程图形硬件的出现，基于GPU(Graphics Process Unit，图形处理单元)的非真实感绘制成为该领域的一个研究热点。

在90年代，非真实感绘制研究的重点集中在对自然材质的模拟，如钢笔画效果、铅笔画效果、油画效果、水彩画效果等。Winkenbach等基于三维空间，引入“笔划纹理”的概念，用笔划纹理填充三维模型的表面以模拟钢笔画。通过省略细节提高线条画的可理解性;同时，笔划参数的不同可以适应不同分辨率曲面的表现。Curtis等提出了一种自动生成水彩画的方法。该方法利用Kubelka-Munk色彩混合方式获取相当真实的水彩效果，但是计算量较大。Hertzmann等提出了一种从照片创建手绘效果的模型，通过使用不同大小和形状的笔画绘制图像，以模拟油画效果。绘制是基于图层的，每一层选择不同的笔触，每一层在上一层的基础上绘制。

从艺术的角度看，轮廓线也占据很重要的位置，针对轮廓线的研究一直是NPR领域的热点。在制作卡通画中，为了丰富的表达模型的形状，常用轮廓线来勾勒模型的大致轮廓，并用粗线来表现模型的重要特征，达到吸引观众注意力的目的。目前，很多研究致力于这方面的工作，其中最基本的是轮廓线的计算。轮廓线计算一般是基于图形空间和图像空间的相关算法。基于图像空间的算法一般有：基于Depth Map、Normal Map探测图像的轮廓线，背面线框绘制。

基于Depth Map的算法的主要思想是对于属于不同物体的点，像素深度值变化大:而对于邻近的点，属于同一个物体上的点，其像素深度值变化小。Decaudin等提出利用用向量映像来探测图像的轮廓线。该方法假设物体在轮廓线附近的面法向发生变化，其中向量映像是特殊绘制的图像，图像中的每一个像素存储的是对应物体表面的法向量。

基于边的遍历检测算法直接遍历所有的边，判断视线与面法向量乘积不小于0，该面为朝前面，反之，该面为朝后面，该方法简单但效率低下，Gooch提出了通过高斯球来加速该算法。基于面的遍历检测算法是Buchanan提出的利用Edge Buffer数据结构遍历获取轮廓线的方法，该方法只需要知道每个面的组成边，在没有硬件加速的特殊情况下可以极大提高检测效率。

获取轮廓线后，研究者考虑如何能使用更丰富的线条展示模型的形状，而不是单纯的利用简单的直线。研究者提出了轮廓线的风格化绘制(Stylized Silhouette Rendering，SSR)，它是非真实感绘制中一种重要的表现形式。通过SSR可以模拟各种材质和绘制手法。

Northrup等首先提出对轮廓线进行风格化的实现方法。首先，利用随机检测的算法找出轮廓线，然后，利用图形图像相结合的方法筛选出可见的轮廓线，对于可见的轮廓线，作者利用纹理映射的方法对特征线进行风格化。其主要方法是将特征边沿相邻两边的角平分线方向将特征线扩展成四边形，将代表不同材质的二维纹理映射到四边形中。Isenberg也提出了一个风格化轮廓线的算法。利用渲染时的z-buffer信息来判断轮廓线的可见性，其主要原理为轮廓线出现在z-depth不连续的地方，达到良好的视觉效果。

体绘制技术是一种重要的科学可视化技术，采用该技术，不经过复杂的特征算法，就能够交互地浏览数据内部结构特征。该项技术广泛应用于医学、气象和地质等领域。目前直接体绘制算法主要有Ray Casting算法、Shear-Warp算法、足迹算法、Texture Mapping算法等。LevoyM等将体数据递归均匀子分成一个八叉树结构，在光线投射算法中遍历八叉树来跳过包含当前采样点的最大空区域，以此达到加速的效果。