[发明专利]一种基于方向光辐射度的微结构表面全局光照绘制方法

说明书

技术领域

本发明属于真实感渲染及微结构全局光照技术领域，具体涉及基于方向光辐射度的微结构表面的全局光照绘制方法。

背景技术

在真实感渲染中，基于辐射度理论在物理逼真渲染中占有很重要的地位，他将光的传播看成了一种能量的传播，将光解释成为离散的粒子态能量从而具有了很好的物理基础，通过各种改进手段可以逼真实现除了光的衍射和干涉之外的任意效果。

物体表面的光学现象是生活中常见的自然现象。其光学效果在视景仿真领域有着广泛的应用需求。它们的实时逼真绘制对提升虚拟场景的逼真性具有十分重要的意义。实时逼真绘制的关键因素在于光照。首先，对于给定的虚拟环境，给定的观察位置和角度，光照强度、光照角度以及光照波长等因素都将对最终绘制结果产生重要影响。为了得到逼真的绘制结果，必须尽量采用能够反映真实物理世界的光照模型(Lighting Model)。但是，越符合真实物理世界的光照模型，势必越复杂，计算量势必越大，实时性越难保证。其次，虚拟场景中的光源类型和物体的材质属性存在多样性和复杂性，场景中可能包含点光源、方向光源、面光源、环境光源甚至体光源等多种类型的光源，场景中物体的材质特性可能表现为漫射、镜面反射、透射及次表面散射等，这给实时逼真模拟光源与材质间的交互影响带来了巨大的挑战。再次，动态场景的数据量往往比较大，并且光源与物体都可能存在着复杂的可运动特性和可变形特性，从而使得光源与物体、物体与物体以及同一个物体不同部分之间的相对位置、相互遮挡关系也具有时变特性，这进一步增加了光照效果实时逼真绘制的难度。

现实场景中存在大量具有崎岖表面的复杂对象，这些微结构表面将对光线传播产生影响，会表现出细粒度的自阴影、环境光遮挡、间接光照等光照效果。而对于拥有多种漫反射和反射材质物体的复杂场景，各个物体会因各自材质属性的不同而表现出不同的光学效果。因此，描述复杂对象和场景与光线的交互，真实再现这些对象的光学效果，可以使得图像细节更为丰富、细腻，极大地提高绘制效果的逼真性。

对于微结构表面的绘制算法人们已经做了大量的研究，两种经典的绘制方法：凹凸贴图(bump mapping)和双向纹理函数(bidirectional texture function,BTF)。这两种算法均是使用面片数较少的光滑模型(低精度模型)来代替面片数较多的表面带有微结构的原始模型(高精度模型)并在其上增加凹凸贴图或者双向纹理函数来实现微结构物体的光照效果绘制，但凹凸贴图方法不能实现自阴影和自遮挡等效果、双向纹理函数的存储量太大。为了克服上述缺点，近年来又出现了一系列的改进算法。主要是基于纹理贴图的微结构物体光照绘制技术和基于预计算的微结构物体光照绘制技术。

基于纹理贴图的微结构光照绘制主要是基于凹凸贴图算法的改进和变形。法线贴图(Normal Mapping)是使用多通道图像纹理贴图存储法线，从而更加细致的模拟出物体表面的法线。视差贴图算法(Parallax Mapping)可以近似的计算出微结构间的自遮挡关系。视差遮挡贴图算法(Parallax occlusion Mapping)是对视差贴图的改进，能够的得到更为精确的效果。精细贴图算法(Relief Mapping)使用图像变形和材质逐像素深度加强技术在平坦的多边形上表现复杂的几何细节。它比视差贴图算法更加精确，且支持自遮挡、自阴影等效果。位移贴图(Displacement Mapping)是使用高度图将经过纹理化的表面上实际几何点位置沿着表面法线根据保存在纹理中的数值进行移位的技术。与以上算法不同的是，位移贴图可以使曲面的几何体产生位移，实际上更改了曲面的几何体或面片细分。视相关DM算法(View-Dependent Displacement Mapping,VDM)预计算不同视点方向与不同曲率表面下的VDM纹理，可实时渲染微结构表面的阴影和遮挡效果。基于高度图的预计算可见性算法是在高度图上预计算点的可见性，累加平行光对当前像素点的全局光照效果，可以实现微结构单元内的全局光照效果。