[发明专利]基于高度图的微结构表面全局光照实时绘制方法

说明书

技术领域

本发明涉及高度图的微结构表面全局光照实时绘制。

背景技术

现实场景中存在大量具有不平滑表面的对象，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、渗色等全局光照效果。因此，描述局部微结构细节与光线的交互，真实再现这类对象的光照效果，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。

微结构表面对象细节多、几何结构复杂，光线跟踪等传统的全局光照方法存在着计算量大，难以用于实时绘制等问题。Tong等提出将双向纹理函数(Bidirectional texturefunction，BTF)合成到任意表面上的方法，通过预计算微结构表面样本的BTF，并建立对象表面与BTF的映射关系，可根据光源和视点运动情况进行实时快速采样。在此基础之上，双尺度辐射度传递(Bi-Scale Radiance Transfer，BRT)，壳纹理函数(Shell texture function，STF)和薄壳辐射度纹理函数(Shell Radiance texture function，SRTF)等方法也对微结构表面对象的光照计算方法进行了深入的研究。但由于大量预计算和纹理合成的存在，这类方法很难实时模拟动态可变形物体的光照效果。

1)微结构表面光照计算的方法有：

Tong等提出使用表面纹理元来合成低精度模型表面BTF的方法，能够较好地表现表面微结构随视点和光源变化的光照效果。但对于不能使用3D纹理元来表示的材质，不能使用这种单尺度的方法。

Sloan等提出了一种双尺度的辐射度传输方法，将辐射度分为全局和局部尺度。全局和局部尺度的传输分别采用预计算辐射度传输(Precomputed Radiance Transfer，PRT)和BTF，使绘制后的BTF材质表面呈现全局辐射传输光照效果。但网格上的顶点分布稠密、计算量较大，而且只能处理低频光照。

为了计算非均匀半透明微结构模型光照，Chen等建立一个包括薄壳层和均匀内核的模型，并引入STF计算薄壳层的表面辐射度，来呈现非均匀半透明物体表面微结构的自阴影、遮挡、镜面反射、轮廓及次表面的散射。但运行阶段计算量较大，无法达到实时。

为了能够实时渲染非均匀半透明物体，Song等提出的预计算基本量的SRTF，在运行阶段直接用于计算模型表面辐射度，实现实时渲染。但在渲染时忽略了由表面微结构形成的细节轮廓。

2)环境光遮挡的计算方法有：

Kontkanen等于2005年提出了环境光遮挡场，并基于此来预计算物体间的环境光遮挡，从而实现阴影的实时绘制。

2006年，Hegeman等提出了一种近似环境光遮挡方法，可满足复杂动态场景的交互渲染需要，但渲染质量不是很高。

为了提高绘制效率和渲染质量，Shanmugam等于2007年提出了一种硬件加速的环境光遮挡方法，将环境光遮挡分解为能够独立计算的高频和低频两部分，实现了复杂动态场景的高质量实时渲染。

为了进一步提高绘制效率，近年来越来越多的研究工作转向基于屏幕空间的环境光遮挡近似计算。Bavoil等于2008年首次提出了基于屏幕空间的环境光遮挡(Screen SpaceAmbient Occlusion，SSAO)方法，通过比较当前点与周围点深度，来确定环境光被遮挡的比率。但该方法需要人工设置采样数目，并且在改变物体的和视点的相对位置时会产生视觉上的跳跃现象。

同年，Bavoil等提出图像空间地平线环境光遮挡方法，基于视点坐标下的场景深度图，计算被遮挡点周围的地平角关系来得到该点的被遮挡程度。Dimitrov等提出了地平角分裂的环境光遮挡方法，该方法通过计算屏幕空间下点的地平角遮挡关系与实际法线遮挡关系的和，来得到最终的遮挡关系。

Ritschel等于2009年提出了屏幕空间方向光遮挡(Screen Space DirectionalOcclusion，SSDO)方法，在SSAO中加入方向光遮挡和一次交互漫反射，实现全局光照在复杂动态场景中的实时绘制。

3)图像空间光照计算的方法有：

Wyman于2005年提出基于图像空间的透明对象二次折射方法，在绘制一遍模型的基础上，采用迭代插值方法来逼近二次折射点的空间位置，实现对透明对象的实时渲染。但需要对模型进行预处理，不适用于可变形物体。