[发明专利]在3D动画绘制中利用帧间时间相关的方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机三维动画技术领域，涉及一种在3D动画绘制中利用帧间时间相关的方法。

背景技术

当前，3D动画在实际中的应用越来越广泛，然而高质量3D动画的绘制时间却依然非常长，这影响了3D动画产业的快速发展。连续的3D动画帧之间存在较强的相关性，即时间相关；利用帧间时间相关可以明显地加快3D动画的绘制速度。

为了生成真实感强的3D动画，必须在动画绘制中实现全局光照。对大多数3D场景而言，往往仅实现一次反射间接光照就可以得到真实感较强的绘制结果。从光源出发，发射一系列光线，在其与3D场景相交的地方生成一系列虚拟点光源；再利用这些虚拟点光源照射3D场景，即可模拟一次反射间接光照。3D动画的各帧对应的3D场景会发生变化，这些变化可能包括光源位置变化、几何面片变化、视点变化等。如果利用虚拟点光源来模拟间接光照，视点变化对虚拟点光源的位置、照射方向等属性没有影响。然而，光源位置变化和几何面片变化对虚拟点光源的位置、照射方向等属性会产生明显的影响。由于连续的3D动画帧之间存在明显的时间相关，因此在连续的两帧之间，会有很多虚拟点光源几乎不发生变化。如果在连续的两帧之间能够重用这些未发生变化的虚拟点光源，则可以显著提高3D动画的绘制速度。

发明内容

本发明方法的目的在于提供一种在3D动画绘制中利用帧间时间相关的方法。本发明方法的技术解决方案：首先从光源向3D场景随机发射一系列光线，并计算其与3D场景的交点；在这些交点位置处创建虚拟点光源来照射3D场景，以模拟间接光照；为各虚拟点光源创建阴影图来实现间接光照的可见性计算；当绘制连续的动画帧时，在当前帧中重用前一帧中的一部分虚拟点光源及其阴影图，即利用帧间虚拟点光源的时间相关来提高绘制3D动画的速度和质量。另外，在当前帧中还需要更新一部分已失效的虚拟点光源，以反映场景的变化；如图1所示，第i帧对应的3D场景中有虚拟点光源A(101)、虚拟点光源B(102)、面片C(103)、面片D(100)；在第i+1帧中，面片C(103)移动到了一个新位置，此时第i帧中的虚拟点光源A(101)仍然有效，在第i+1帧中可以被重用，但是第i帧中的虚拟点光源B(102)在第i+1帧中因被遮挡而失效，因此需要重新生成一个虚拟点光源D(104)。

本发明方法首先提供一种数据结构DS，用于存储虚拟点光源的相关数据；数据结构DS包括虚拟点光源的光照入射方向、虚拟点光源所在面片的双向反射分布函数BRDF、虚拟点光源所在面片的面片号、虚拟点光源的阴影图、帧间虚拟点光源阴影图变化累计量、虚拟点光源的位置、虚拟点光源所在位置的法线方向等成员变量。

本发明方法的第一部分计算3D动画的第一帧对应的3D场景的所有虚拟点光源及其相关数据，并绘制第一帧画面，具体步骤如下：

Step101：对光源的光线发射方向进行蒙特卡洛采样，生成一系列光源光线A001，计算每条光源光线A001与3D场景的交点A002，在各交点A002位置处生成虚拟点光源A003，将所有虚拟点光源A003存放在一个列表A004中；

Step102：对列表A004中的每个虚拟点光源A005，做如下计算：

根据第一帧对应的光源的位置和虚拟点光源A005的位置，计算虚拟点光源A005的光照入射方向A006；计算虚拟点光源A005所在位置的法线方向A007；创建一个数据结构DS类型的变量V₁，将光照入射方向A006赋值给变量V₁的虚拟点光源的光照入射方向成员变量，将法线方向A007赋值给变量V₁的虚拟点光源所在位置的法线方向成员变量，将虚拟点光源A005所在面片的双向反射分布函数BRDF赋值给变量V₁的虚拟点光源所在面片的双向反射分布函数BRDF成员变量，将虚拟点光源A005所在面片的面片号赋值给变量V₁的虚拟点光源所在面片的面片号成员变量，将虚拟点光源A005的位置赋值给变量V₁的虚拟点光源的位置成员变量，将变量V₁的帧间虚拟点光源阴影图变化累计量成员变量赋值为0；以虚拟点光源A005所在位置为视点，对虚拟点光源A005所在位置的正法线方向半空间中的几何面片按抛物投影方式进行投影，计算虚拟点光源A005的抛物投影阴影图A008；将抛物投影阴影图A008赋值给变量V₁的虚拟点光源的阴影图成员变量；将变量V₁和虚拟点光源A005相关联；