[发明专利]一种将球谐光照技术应用于面绘制的方法

权利要求书

1.一种将球谐光照技术应用于面绘制的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

（1）数据准备：对面模型中的每个三角面片进行离散采样将其转换为点模型；然后通过球谐光照方法得到每个点的球谐系数组；

（2）纹理回填：根据每个面离散出来的点及其对应的球谐系数组，通过纹理回填的方法为每个面生成一组球谐系数纹理；

（3）GPU编程绘制：使用面绘制的方法对面模型进行绘制，通过GPU渲染管线进行编程完成球谐光照模拟。

2.根据权利要求1所述的将球谐光照技术应用于面绘制的方法，其特征在于：所述数据准备包括将面模型转换为点模型即面模型采样，三角面片排序与球谐光照预计算三个部分；具体为：

1）面模型采样    

（1）生成采样点：

为了将面模型采样为一个点模型，需要对三角面片进行离散化处理，我们使用等距离采样的方法，将面模型中的每个三角面片进行采样处理；假设所需采样的三角面片三个顶点的坐标为                                                ，以及 ，则等距采样的基本思想是设置一条扫描线从三角形的一个底边开始，通过在扫描线上每次移动相同距离采样数据，然后将扫描线上移进行下轮扫描；

为了设置扫描线，必需要得到扫描线的两个端点，由于需要对三角面片内部进行采样，不能直接对为起始扫描线，为此，我们使用如下方法进行扫描线的设置与采样：

a)以点为起点，为方向向点移动个固定距离，得到点：

                       　(1-1)

b)以同样的方法，以点为起点，为方向向点移动个固定距离，得到点；

c)将作为扫描线进行等距采样，采样方法与之前类似，即以点为起点，为方向向点移动个固定距离，得到采样点，重复这一过程直到到达；

d)重新进行步骤a)，b)；如果扫描线到达三角形的顶点，则结束，保存所有采样点；否则，进行c)；

（2）数据结构的组织：

将三角形面片的三个顶点与采样点在同一链表中进行存储；每个链表结点的数据结构包括采样点的位置，球谐系数组，纹理坐标属性，对于存放顶点的结点，其对应的属性仅为顶点的空间坐标，其它属性值为空，为区别顶点与采样点，在数据结构中加入一个bool值来区分顶点与采样点：

//采样点与顶点共同使用的数据结构

Struct sample

{  

Position; //采样点&顶点的三维空间坐标

Coef; //采样点的球谐系数组，若为顶点该项为空

       Bool isVertex;//判断是否为三角形顶点的bool值

}

该数据结构构成了模型链表中的一个结点，对于一个面片，其对应链表段中的结点组织按照三角形三个顶点以及面片采样点的顺序进行链表存储：顶点1→顶点2→顶点3→采样点1→采样点2……采样点N；

2）三角面片排序

在对三角面片采样完成后，对其面积进行排序；首先根据三角面片的三个顶点坐标计算其面积，

                          (1-2)

其中，是顶点组成的线段的距离，是顶点到线段的距离，对所有三角形面片的面积进行由小到大的排序，得到一个按面积大小递增的面模型离散化链表；

3）球谐光照预计算

对整个点模型进行球谐光照处理，完成该步后每个点元得到一组球谐系数；

球谐光照中使用的光照模型为模拟漫反射积分公式：

　 (1-3)

其中是一个表征粒子属性的参数，该模型使用积分式中的表达式来模拟方向的直接入射光对点的影响，使用可见性函数标识方向的遮挡信息，模型的积分域是法线向量所处的半球区域，整个光照模型所表征的物理过程是在当前考虑点的法线向量所处的半球区域，接收从各个方向反射过来的光能后，通过漫反射向视线方向出射光强；

为了计算该模型，需要对模型中积分式的两个函数与进行球谐分解，对一个函数使用球谐分解的方法如式1-4所示：

                       (1-4)

其中叫做球谐基函数，其形式如式1-5所示，可见球谐其函数是一组函数集合，其函数的阶数由决定，是待分解的函数，球谐分解的实质是提取原函数在球谐空间中不同的信号成分，每一种成分对应了一个阶的球谐基函数，分解后的球谐系数就是该阶球谐基函数的振幅，通过使用球谐系数对球谐基函数进行调制解调便可还原原来的信号；

  (1-5)

球谐光照的预计算过程就是对式1-4中的两个函数与进行球谐分解的过程，模型中的每个点都要完成一次该过程。