[发明专利]一种用于半透明材质渲染的次表面散射计算方法

说明书

本发明公开了一种用于半透明材质渲染的次表面散射计算方法，涉及到对暴力蒙特卡洛光子追踪实验结果的裁剪处理和多项式拟合，以精确表示次表面散射在距离上的能量衰减。在此基础上，使用平均自由程和单散射率对多项拟合式中各个项进行关系确定，以利于反射剖面的计算和调整。最终通过一种新的实时重要性采样方案，使用蒙特卡洛方法计算物体表面任意点的出射辐射，此重要性采样方案同样适用于其它任何次表面散射计算模型。通过将此次表面散射计算结果与高光反射等其它结果相结合，可对任意半透明材质物体进行精确进而高效的绘制。

技术领域

本发明涉及基于物理的真实感实时渲染领域，具体涉及一种用于半透明材质渲染的次表面散射计算方法。

背景技术

目前在许多关于皮肤渲染的应用领域中，例如游戏，VR(Virtual Reality，虚拟现实)交互等需要实时渲染物体的场景下，在更短的时间内进行更加精确的半透明物体渲染是一个十分重要的问题。在对于现实世界的物体真实感渲染中，由Kajiya提出的渲染方程，即一般所指的BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数)计算模型仅仅只能考虑光在表面上的传输行为，由此引入的解决方案就是次表面散射。如何对半透明物体上的次表面散射现象进行高效而准确的计算是计算机图形学的一个重要研究方向。

在多年的发展之中，尽管期间不乏有人将其他领域与次表面散射相结合(如机器学习)，但是针对次表面散射的研究主要可分为四个方面：介质内部的光线追踪，基于物理的解析式模型，实时计算优化，捕获与重渲染。光线追踪通过对大量光子的路径进行贡献累计进行出射辐射的计算，尽管其是理论上最精确的计算结果，但需要大量的计算时间。基于物理的解析式通过对辐射传输方程进行推导和近似求解来得到反射剖面，尽管计算时间较短，但其计算式对于实时计算而言仍显复杂。捕获与重渲染方法尽管能兼具高效性与精确性，但需要大量的数据存储且对于绘制对象有一定的限制。这些缺陷限制了相关方面在实际领域中的应用。

发明内容

对于次表面散射计算的实时优化方面，具有代表性的工作是Jimenez等人的可分离次表面散射和Christensen等人的规范化剖面，两者的基本思想都是对复杂的次表面计算式进行简化，并在屏幕空间上执行计算。但相关的模型都无法精确地对最大散射距离有一个明确的定义，其中Jimenez等人使用固定的最大散射距离进行采样点的选取，导致计算结果的同质性以及对低反射区域的模糊过度。Christensen等人对最大散射距离的假设为无限远，可能导致样本点与表面点的距离极大，造成计算结果的误差。本发明提出了一种新的次表面散射计算模型，提出一个简单的多项式数学模型能较为精确地拟合蒙特卡洛光子追踪的计算结果，且最大散射距离能直接通过一个简单的除法进行计算。通过使用平均自由程和单散射率对拟合式进行计算，并通过本发明提出的新重要性采样方案在屏幕空间上进行蒙特卡洛计算，可克服散射范围估计错误的问题，实现对半透明物体的精确渲染。

本发明解决的技术问题是：解决了原先对于散射范围的错误估计以及不明确定义问题，以使样本点的分布更加准确，避免了次表面散射计算中的模糊过渡以及错误模糊问题。使用发明提出的新的次表面计算模型以及对应的重要性采样方案能有效对半透明物体，尤其是其中的低反射率区域进行精确的绘制，满足了次表面散射计算的准确性和实时性。

本发明采用的技术方案为：用于半透明材质渲染的次表面散射计算方法，包括以下五个步骤：

步骤1：采用目前已开源的暴力蒙特卡洛光子追踪器MCML，将输入文件参数定义为一个上中下三层物体，并使用相似性理论考虑各向异性，通过对输出数据进行裁剪以避免零值数据对拟合的误差影响，并最终对裁剪后的数据进行特定多项式函数的拟合，得到若干组拟合结果，其中，上中下三层物体中的上下层为空气层，上中下三层物体中的中间层为测量层，测量层的厚度设定为1.0E+8以避免透射辐射的影响，E表示10的幂，折射系数η均设置为1以避免折射系数的影响，η表示折射系数，各向异性参数g设置为0，g表示各向异性参数；