[发明专利]一种面向运动模糊的层次包围盒设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及图形实时渲染技术领域，尤其涉及一种面向运动模糊效果绘制的层次包围盒设计方法。 

背景技术

运动模糊是一种在照相机摄影过程中可能产生的影像效果，通常是由于物体或者相机快速移动引起的。在物体和照相机相对移动的有限时间内，保持照相机的快门一直打开，使获得的图片能够模拟人眼的感觉，出现运动模糊的现象。运动模糊效果能够减少或者去除图片的闪动现象，给场景绘制带来极大的视觉真实性。在电影级绘制技术中，由于帧率较低，运动模糊对于表现真实感效果是非常重要的。随着虚拟现实、视频游戏、电影制作等娱乐产业的快速发展，运动模糊效果在真实感图形实时绘制中变得越来越重要。然而，绘制运动模糊效果一般需要在时空区间内进行多维度的采样计算，这增加了计算的复杂性和场景组织的难度。 

光线跟踪技术是一种在图形绘制领域中广泛使用的技术， Cook等^[1]在分布式光线跟踪技术中通过随机采样的方法实现了运动模糊效果的绘制。在光线跟踪算法中，构造加速结构是其中重要的一步，通过将面片重新进行组织，迅速剔除一些可预测的不可能与光线相交的空间区域，可以大大减少无效的光线遍历操作和相交操作，较为明显地影响光线遍历的性能。针对加速结构的操作主要有遍历操作和相交操作，目前有几种常用的加速结构，如网格结构（grid）^[2]、八叉树（octree）^[3]、KD树^[4]、 空间二叉树（BSP）^[5]、层次包围盒结构（BVH）^[6]以及层次隔段包围盒结构（Bounding Interval Hierarchies）^[7]等。 

通常使用BVH结构来进行运动模糊效果的绘制，这种方法假定场景中的所有面片进行线性移动，因此只需计算出运动开始位置和结束位置的结点包围盒，然后利用由随机采样方法所分配给光线的时间采样点，使用线性差值的方法计算相应时间点的结点差值包围盒^[8]。相比使用包含面片在整个时间域内的完整移动路径的结点包围盒，使用差值方法可以产生更紧凑更有效的结点包围盒，有效减少光线遍历操作的次数。 

然而，由于在BVH结构中每个面片只能存在于唯一的叶子结点中，使BVH结构可能会遇到包围盒重叠的问题^[9]。当结点包围盒发生区域重叠时，遍历重叠区域的光线必须要遍历该结点的两个子结点及其下面对此重叠区域有贡献的子结点，无法进行有效的区域剔除，最终增加相交测试的开销。精确的SAH花费模型可以减少BVH结构包围盒重叠的程度，但是运动模糊效果使这个问题变得更加复杂。 

进一步讲，每个面片可能有不同的移动向量，一些面片可能与其它面片的移动路径相差较大，无法用线性关系来定义这些行为，这些行为可能会急剧地扩大原有结点包围盒的大小，引起严重的包围盒重叠问题，最终可能会改变原有加速结构的拓扑结构，影响加速结构的质量。一种极端情况是，一个小面片可能会在照相机快门打开的过程中，沿着整个场景的包围盒对角线从一侧移动到另一侧，使所在的包围盒迅速变大。 

为了解决这个问题，Ernst等^[10]提出了ESC（Early Split Clipping）构造方法，通过使经过切割的几何面片在BVH结构中可以被多个结点包围盒所包含，减小了结点包围盒的大小，进而降低了重叠问题对BVH结构性能的影响。 Holger等^[11]提出了EVH（Edge Volume Heuristic）方法，与Ernst等^[10]的方法类似，不同的是EVH方法是对实际的三角面片进行切割，而不是包围盒，减少了结点的空区域。 

这两种方法存在共同的问题，一是没有考虑到面片之间的相互影响，只是单一地对每一个面片进行处理，二是需要手工设置参数对面片进行处理。Martin等^[12]结合了KD树和BVH结构的特点，设计了SBVH结构，使用SAH花费模型来自动进行面片切割和结点划分，在BVH结构中添加了面片分割的能力，使几何面片不再受限于必须被分配到BVH结构中的唯一子结点。但是，上述方法并没有考虑面片运动行为对加速结构层次结构和包围盒大小的动态影响。