[发明专利]一种镜头色散效果的生成方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形学领域，具体涉及一种具有照片级真实感的镜头色散效果模拟方法，该技术能够模拟由相机镜头折射材料所引起的色散效果。

背景技术

镜头色散效果是一种与相机光学镜头相关的光学色散效果，该效果主要是由镜头材质的色散特性所引起。镜头材质(主要是玻璃、塑料、晶体等)的色散特性是指其折射率随波长的变化而变化。镜头材质的这种特性使得在镜头的成像结果中呈现出多彩的镜头效果，如彩色边缘、彩色的弥散圈等。模拟这些与镜头相关的色散效果能够改进计算机合成图像的真实感，或产生艺术级的特效，用于电影、游戏、动画等场合。

此外，在光学本质上，模拟镜头色散效果实质是对镜头色差的可视化，因此模拟色散效果能够用于分析镜头的成像性能，优化镜头设计，以实现最佳的成像结果。现有的研究成果主要集中研究如何模拟普通玻璃的色散效果，采用了简单的针孔镜头模型或单透镜模型，以及递归式光线追踪技术。由于缺乏精确的光谱镜头模型，这类方法无法模拟镜头色散这类特殊的光学效果。同时递归式光线追踪技术也不适合与镜头模型进行集成，以绘制与镜头相关的光学效果。

发明内容

针对现有方法不能模拟镜头色散效果的问题，本发明的目的在于提供一种镜头色散效果的生成方法。本发明以分布式光线追踪方法和精确的光谱镜头模型为基础生成图形，是一种基于几何光学理论的色散效果的生成方法。该方法以序列光线追踪方法建立精确的相机镜头模型，以模拟各种多彩的色散效果；并利用几何光学理论和序列光线追踪法精确计算出入(出)射光瞳的位置和大小，以提高光线追踪效率。

本发明的技术方案为：

一种镜头色散效果的生成方法，其步骤为：

1)根据相机镜头中顺序存储的光学元件的结构信息，利用光线追踪方法计算入射或出射光瞳的位置及其孔径；

2)将计算出的入射或出射光瞳作为一光学元件加入到该相机镜头中；

3)输入一包含有K条不同波长光线的光线包(R₁...R_K)，每一条光线具有一状态：活光线或死光线，如果一光线未被相机镜头的某一光学元件阻挡则该光线为活状态，否则为死状态，初始化光线均为活状态；将该光线包从三维场景或像平面进入相机镜头；

4)顺序并逐个取出相机镜头中光学元件的结构信息，计算当前光线包中每一活状态光线经当前所取元件后的光线，得到更新后的光线包；

5)将通过相机镜头最后一光学元件后得到的光线包作为出射光线包；

6)光谱绘制模块利用5)所得出射光线包生成该相机的镜头色散效果。

进一步的，所述包括光学元件的结构信息包括：半径、厚度、光谱折射率、孔径。

进一步的，入射光瞳的位置及其孔径的计算方法为：

1)设点P₀的初始化值为物平面中心、点P_min的初始化值为相机镜头的前透镜中心、点P_max初始化为前透镜边缘上一点；光线R_min初始化为从点P₀到点P_min、光线R_max初始化为从点P₀到点P_max，光线R₁初始化为光线R_max；

2)计算光线R_min和R_max的方向余弦，如果R_min和R_max方向余弦相差大于阈值H，则在镜头内正向或逆向追踪光线R₁，如果光线R₁能够通过相机镜头，则R_min＝R₁，否则R_max＝R₁；然后令R＝(R_min+R_max)/2；

3)迭代计算步骤2)，当如果R_min和R_max方向余弦相差小于等于阈值H或达到预先设定迭代次数T时，则执行步骤4)；

4)将光线R作为入射光瞳的边缘光线，光线R能通过的最后一个光学元件为孔径光阑；

5)将点P₁初始化为孔径光阑中心、点P₂初始化为孔径光阑前一光学元件上的近轴点；

6)将光线R₂初始化为从点P₁到点P₂，逆向或正向追踪光线R₂，直到该光线离开相机镜头；