[发明专利]一种可交互的非匀质半透明物体绘制方法

说明书

技术领域

本发明涉及图形绘制技术领域，尤其涉及一种非匀质半透明物体的绘制方法。 

背景技术

半透明物体的绘制与物体的次表面散射现象密切相关。次表面散射是指光线进入物体的表面时与物体材质相互作用产生散射，并从表面的另一个点离开该物体。光的次表面散射效果对于许多材质，特别是半透明材质(如大理石，玉，皮肤等)的真实再现起着十分重要的作用。然而，由于这种散射现象的复杂性，快速而精确的渲染这些材质非常困难。现存的方法在效率或者其他方面总存在各种缺陷。 

半透明物体绘制的标准方法是蒙特卡罗方法，包括路径追踪和光子映射法等，可以通过按方向模拟基本的物理散射来计算出单个光子在散射材质中的轨迹。只要有计算出足够多的轨迹，该方法就可以模拟出任意精度的图像。然而，即便是对于均一材质的物体，蒙特卡罗方法的运算量也是极其大的，往往渲染一帧就需要数小时的计算；对于非匀质材质的物体，计算量更加大，这就注定了它只能离线计算。蒙特卡罗方法可参考：DORSEY，J.，EDELMAN，A.，JENSEN，H.W.，LEGAKIS，J.，AND PEDERSEN，H.K.1999；Modeling and rendering of weathered stone.In ACM SIGGRAPH，225-234.PHARR，M.，AND HANRAHAN，P.2000；Monte carlo evaluation of non-linear scattering equations for subsurface reflection.In ACM SIGGRAPH，75-84.LI，H.，PELLACINI，F.，AND TORRANCE，K.E.2005；A hybrid monte carlo method for accurate and efficient subsurface scattering.In Eurogr.Symposium on Rendering，283-290；JENSEN，H.W.，AND CHRISTENSEN，P.H.1998.Efficient simulation of light transport in scences with participating media using photon maps.In ACM SIGGRAPH，311-320。 

由于蒙特卡罗方法的大运算量，实际中人们往往采用各种近似计算。首个有效近似即为偶极子扩散逼近BSSRDF。该方法尽管速度十分快，但是一方面BSSRDF的精度有限，另一方面它只能渲染均一材质的物体。然而，该方法仍然被广泛应用，这是由于其低计算量和易实现性。该方法可以用来加速蒙特卡罗方法，也可以用来改善渲染质量；在预计算光线追踪方法中，该方法可以成为实时方法。该方法可以参考以下论文：JENSEN，H.W.，MARSCHNER，S.R.， LEVOY，M.，AND HANRAHAN，P.2001.A practical model for subsurface light transport.In ACM SIGGRAPH，511-518；H.W.Jensen and J.Buhler，A rapid hierarchical rendering technique for translucent materials.ACM，2002，pp.576-581；H.W.Jensen，S.R.Marschner，M.Levoy，and P.Hanrahan，A practical model for subsurface light transport.ACM，2001，pp.511-518。 

由于上述各种方法的缺陷性，基于扩散方程求解的绘制方法被广泛应用。扩散方程最早由在参与介质理论中提出，进入散射材质的光线，其光子运动由以下三个函数决定：吸收系数函数μ和散射系数函数σ_s′分别给出了单位距离内材质吸收和散射光子的个数，相函数 给出了光子从 到 的概率。由这三个函数便可确定物体中从任意一点x到任意方向 的光照。给定物体Ω，边界条件 和物体的光学属性(吸收系数μ和散射系数σ_s′)物体内部的光通量 可以由如下扩散方程描述： 

其中， 是散度算子， 是梯度算子，κ(x)＝[μ(x)+σ_s′(x)]^-1。