[发明专利]用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法

摘要

本发明公开一种在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法。本方法首先基于光线投射方法，计算从视点位置发射的穿过屏幕像素的光线与三维场景的交点及交点位置的法向量，在此基础上计算每个屏幕像素对应的三维场景空间梯度信息，进而以此为依据自适应地选取各个屏幕像素的采样光线数目。在光线跟踪中利用本方法，能在实现对三维场景画面反走样的同时，有效地减少不必要的采样光线跟踪操作，从而提高光线跟踪绘制效率。

主权项

在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法，其特征在于，技术解决方案和所需的实现步骤如下：本方法的技术解决方案：首先使用光线投射方法，从视点位置发射穿过各屏幕像素中心点的光线，计算光线与三维场景的几何对象的离视点最近的交点及交点位置处的法向量；然后计算各屏幕像素对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001；最后根据最大值A001，自适应地选取屏幕像素的采样光线数目，并完成对三维场景的光线跟踪绘制；屏幕像素(109)对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001根据屏幕像素(109)及其周围的相邻屏幕像素对应的穿过屏幕像素中心点的光线与三维场景的几何对象的交点及交点位置处的法向量计算得到；本方法的第一部分计算各个屏幕像素对应的三维场景空间梯度信息，具体实现步骤如下：Step001：对每个屏幕像素A002，使用光线投射方法，从视点位置发射穿过屏幕像素A002的中心点的光线A101，计算光线A101与三维场景的几何对象的离视点最近的交点A102以及交点A102处的几何对象表面法向量A103；将屏幕像素A002对应的光线A101对应的交点A102和法向量A103保存在计算机系统的内存中；每个屏幕像素A002都与保存在计算机系统的内存中的一个交点A102和法向量A103相对应；Step002：对每个屏幕像素A002，做如下操作：Step002‑1：计算屏幕像素A002对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点的距离D1；将屏幕像素A002对应的保存在计算机系统的内存中的法向量A103赋值给变量N1；对变量N1表示的法向量进行归一化，再将归一化后的结果赋值给变量N1；Step002‑2：令变量dDm＝0；令变量dNm＝0；Step002‑3：对屏幕像素A002周围的每个相邻屏幕像素A105，做如下操作：计算屏幕像素A105对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点的距离D2；如果|D1‑D2|＞dDm，则令dDm＝|D1‑D2|；将屏幕像素A105对应的保存在计算机系统的内存中的法向量A103赋值给变量N2；对变量N2表示的法向量进行归一化，再将归一化后的结果赋值给变量N2；如果max(|N1，x‑N2，x|，|N1，y‑N2，y|，|N1，z‑N2，z|)＞dNm，则令dNm＝max(|N1，x‑N2，x|，|N1，y‑N2，y|，|N1，z‑N2，z|)；N1，x为变量N1表示的法向量的x分量，N1，y为变量N1表示的法向量的y分量，N1，z为变量N1表示的法向量的z分量，N2，x为变量N2表示的法向量的x分量，N2，y为变量N2表示的法向量的y分量，N2，z为变量N2表示的法向量的z分量，max表示求最大值，|·|表示求绝对值；Step002‑4：为屏幕像素A002关联一个深度梯度的幅值的最大值变量A106，将变量A106赋值为变量dDm的值；为屏幕像素A002关联一个法向量梯度的幅值的最大值变量A107，将变量A107赋值为变量dNm的值；Step002‑5：针对屏幕像素A002的操作结束；本方法的第二部分在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样，具体实现步骤如下：Step101：对每个屏幕像素B001，做如下操作：Step101‑1：在本方法的第一部分得到的三维场景空间梯度信息的基础上，将与屏幕像素B001相关联的深度梯度的幅值的最大值变量A106的值赋值给变量Dm，将与屏幕像素B001相关联的法向量梯度的幅值的最大值变量A107的值赋值给变量Nm；Step101‑2：如果其中Tm为深度梯度阈值，Sm为法向量梯度阈值，表示向下取整，则转子步骤Step101‑4；Step101‑3：如果则将赋值给变量NUM，否则将25赋值给变量NUM；转子步骤Step101‑5；Step101‑4：如果则将赋值给变量NUM，否则将25赋值给变量NUM；Step101‑5：在屏幕像素B001的空间区域内随机地选取NUM个点，从视点位置发射光线穿过这NUM个点，得到NUM条光线；利用光线跟踪方法，跟踪这NUM条光线在三维场景中的传输，计算每条光线对应的光亮度，最后计算这NUM条光线的光亮度的平均值B002；Step101‑6：针对屏幕像素B001的操作结束；Step102：根据各屏幕像素对应的光亮度的平均值B002，计算各屏幕像素的颜色值，以生成三维场景画面的图像，将其保存到计算机系统的磁盘文件中。