[发明专利]一种基于环境贴图来模拟人物皮肤次表面散射的物理方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图像学领域，具体地，涉及一种基于环境贴图来模拟人物皮肤次表面散射的物理方法。

背景技术

随着计算机图像学和可编程技术的扩展，人们对虚拟的三维世界的认知感越强，要求画面质量的渲染技术被应用于游戏中，对于虚拟场景所有生物根据不同的材质都会受到周围环境直接或者间接光照，从而产生不同的光照效果。

次表面散射(Subsurface Scattering，简称3S)，主要模拟不完全透明材质内部表现出来的一种真实光影效果，例如：蜡烛，玉石，大理石等表现最为明显，这种通透特性有着从模型边缘到模型中心递减的趋势，这也与不完全透明材质的视觉特性吻合得较好，这种次表面散射材质是高质量渲染中最复杂的材质之一，一个方面是在于此表面散射物体内部的任何一点的光照度取决于体内其他点的光照度和材质本身的透光率；另一方面，材质本身可能具有复杂的各向异性和不均匀密度等性质，会产生不同的物理光照效果。

目前3S主要用于模拟人物皮肤，需要预处理大批量数据，这样占有大量的内存和显存，使得效率较低，同时也有不支持实时运动或者可变模型。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在数据处理量大、占用存储空间大和处理效率低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于环境贴图来模拟人物皮肤次表面散射的物理方法，以实现数据处理量小、占用存储空间小和处理效率高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于环境贴图来模拟人物皮肤次表面散射的物理方法，包括：

a、利用伴随勒让德公式，对待模拟场景中光照积分方程进行投影并分解，得到每个像素的亮度值；

b、将每个像素的亮度值乘以溢出颜色值，得到背光面每个像素散射值。

进一步地，在步骤a中，所述光照积分方程，具体为：

在游戏场景中，把游戏场景的外部场景赋予天空包围盒中，来设置整个游戏情节的环境，同时把地形和模型所组成的“地面”划分为N个包围盒，同时利用立方体贴图做环境映射；即：

将一个2D的图像即纹理上的一些点被附着到3D模型的顶点上，当渲染纹理时，图像会贴在几何模型的表面，模型表面上的每个像素都受周围环境的影响,周围环境发射无数个射线，然后这个射线经过反射再进入人眼睛,可以设想把模型的每个像素受到的光照是半个球面的无数个像素射入过来的亮度值；

同时，利用双向反射分布函数BRDF，计算反射光从每个入射方向得到的贡献值，然后累加在半球面上：

E＝∫L(ω)(n·ω)dω  (1)；

其中L(ω)为反射光从每个入射光线在ω上的亮度，n·ω为法线在ω方向的投影。入射光可以通过环境贴图中近似得到，其中每个纹理像素对应一个入射方向，在图像中每个像素光照积分的大量积分运算时需要环境贴图的上千个像素与BRDF进行相乘并累加。

进一步地，在步骤a中，所述对待模拟场景中光照积分方程进行投影并分解的操作，具体包括：

利用数学思想，信号满足周期变换条件下，可以将对待模拟场景中光照积分方程分解为一系列正弦谐波的和，谐波频率以倍频增长，这就是所谓的傅立叶级数。经过全局光照计算后，物体表面上每个点会得到一个球面的亮度信号，但我们不可能为每个点都保存一个环境贴图，因此我们需要对这个定义在球面的亮度信号进行编码，而在实时重现时，利用编码快速重建原球面亮度信号，进而计算光照效果。

一个原始信号，可以分解为一系列带缩放谐波之和，如何要在利用这些基函数来重建原始信号，我们必须事先得到每个基函数相对应于原始信号的系数(缩放因子)，比如要计算信号f(x)中基函数b(x)分量的系数(权重)，我们需要在f定义域上对f(x)b(x)进行积分，也就是所谓的卷积

利用勒让德方程中一个特解伴随勒让德多项式对光照积分进行分解计算，利用基函数L_lm相对应的投影函数系数Y_lm，重建光照积分方程，这个多项式的定义域是球面坐标系，伴随勒让德多项式中有两个参数分别为l和m，m的取值范围为[-l，l]。