[发明专利]一种三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机应用技术中的计算机图形学领域和虚拟现实技术领域，尤其涉及一种三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法。

背景技术

三维场景的照片级真实感绘制(photo-realistic rendering)是计算机图形学领域和虚拟现实领域的一个具有挑战性的问题。然而目前所有图形处理器(GPU)固定管线(fixed pipeline)均使用基于局部光照计算的光栅化(rasterization)绘制方法。光线追踪绘制(ray tracing)是一种有效的全局光照绘制方法，然而它的主要困难除了每个采样光线在计算光线路径时由于场景中的几何多边形数量过多而带来的巨大求交运算开销，还包括在在采样时计算像素颜色值产生的噪点。

2002年Saarland大学的计算机图形学实验室研制了一种基于硬件的光线追踪架构SaarCOR[J.Schmittler，I.Wald，and P.Slusallek.2002.SaarCOR：a hardware architecture for ray tracing.In Proceedings of the ACM SIGGRAPH/EUROGRAPHICS conference on Graphics hardware(HWWS′02).27-36.]，在现场可编辑逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array/FPGA)上实现了光线追踪算法，来进行三维场景的全局光照绘制。随后于2005年发布了原型芯片Ray Processing Unit(RPU)[S.Woop，J.Schmittler，and P.Slusallek.2005.RPU：a programmable ray processing unit for realtime ray tracing.In ACM SIGGRAPH2005Papers(SIGGRAPH′05)，Markus Gross(Ed.).ACM，New York，NY，USA，434-444.DOI＝10.1145/1186822.1073211]。RPU能够递归地进行光线追踪计算，准确的模拟全局光的传播，绘制高质量的图片。但是搭建应用程序的成本较高，可移植性低。

英特尔(Intel)公司在2012年公开发行了一种拥有照片级真实感的全局光照绘制系统Embree。Embree采用基于蒙特卡罗随机采样(Monte Carlo sampling)的光线追踪算法来进行场景中的全局光照计算。该方法使用层级包围盒(bounding volume hierarchy/BVH)来组织场景中的三角形，光线依次与各个层级的包围盒求交，以此来加速光线与场景三角形的求交测试。该方法能够以交互式的速度绘制场景，然而由于该算法采用CPU进行计算，当应用需要进行如物体碰撞检测，AI寻路以及场景物体的动画模拟等涉及到大量的CPU运算的任务时通常会严重加重CPU负担。同时基于蒙特卡罗随机采样的光线生成方式在采样过程中会出现明显的噪点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是以分布式的方式进行三维几何场景的实时的低噪声的全局光照绘制。主要应用于数字娱乐、文化创意和建模设计等方面。

为此，本发明公开了一种三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法，其包括：

步骤1、主节点初始化当前帧图像的绘制，包括绘制视口分割、模型差分传输和绘制背景贴图，并将分割后的视口参数、三维模型和背景贴图分发到各个子节点；

步骤2、子节点对接收到的三维模型及视口参数进行多尺度视口分层绘制，同时将绘制的每一层图像传输给主节点；

步骤3：主节点同步各个子节点对当前帧的绘制图像，将相同层的图像进行拼接显示；

步骤4：主节点统计各个子节点每秒钟绘制的帧数，进行下一帧图像绘制。

其中，其还包括用户改变了视点位置或视线方向后，主节点计算视点空间中的投影变换矩阵并在绘制下一帧图像时传递给各个子节点。

其中，其还包括主节点在接收到退出的系统消息后，则向各个子节点发出退出的消息，终止子节点的绘制服务。

其中，步骤1中，所述主节点在绘制第一帧前，根据各个子节点计算机的计算性能的高低预先将整个绘制区域分割成不同的子视口区域；而在绘制其它帧时，根据前一帧图像绘制过程中统计得到的每秒钟绘制的帧数进行分割。

其中，步骤1中，模型差分传输包括主节点将要绘制的当前帧的三维模型分成多个部分，计算每个部分的第一级MD5码，然后对每个部分按照同等大小进行分块，对每块计算第二级MD5码。