[发明专利]以内外存交换方式实现基于点的全局光照效果的渲染方法

说明书

技术领域

本发明涉及图形学真实感渲染领域，具体涉及一种以内外存交换方式实现基于点的全局光照效果的渲染方法。 

背景技术

在计算机体系结构的发展过程中，存储结构逐渐形成了一种类似于金字塔的结构。上层的存储部件，空间少，价格高，但速度快；下层的存储部件，空间大，价格低，但速度慢。通常，计算机内存处于“金字塔”的上层，空间小、速度快，外存处于“金字塔”下层，空间大、速度慢。优秀的内存和外存调度算法是解决计算机内存瓶颈的有效途径。 

三维影视动画作品，带给观众置身于其中的真实感受。在作品的制作过程中，艺术家们不断追求场景中接近真实的光照效果。现实世界中很多物体大部分或者全部被其他物体反射的光照亮，这部分光照被称为间接光照。全局光照效果是指由直接光照和间接光照共同产生的光照效果，这种光照效果更加符合现实中的场景。比如人物皮肤的次表面散射效果，墙壁上的光影等。全局光照效果比直接光照展示的细节更丰富和真实。随着人们对真实感的追求，以及计算机中复杂场景模型的出现，渲染时间和计算机内存占用空间成为制约三维影视作品创作的瓶颈。如何在渲染的效果与时间上找到平衡点，从而加快制作周期，成为影视动画制作的关键问题。 

Kajiya于1986年提出渲染方程[The rendering equation]，描述原始光能传递方程。公式(1)描述了如何计算三维场景中某点x处的直接光照值和间接光照值。 

L_r(x,w_r)＝L_e(x,w_r)+∫_ΩL_r(x′,-w_i)f(x,w_i,w_r)cosθ_idw_i    公式(1) 

L_e(x,w_r)表示点x在方向w_r上对外辐射的总能量,f(x,w_i,w_r)表示光线发生变化的方程，描述了光源处发射的光线与场景中的物体相互作用，θ_i表示入射光线与点x所在表面的夹角，是已知量；L_r(x′,-w_i)表示从周围表面传递来的光照，是求解全局光照的关键；L_r(x,w_r)为点x处的最终全局光照值。但此方程是无法通过直接求解得到全局光照结果。 

Christensen在文章[Point-based approximate color bleeding]中提出基于点的全局光照方法。该方法分为两步进行，第一步生成点云文件，点云文件保存了带有直接光照的三维场景信息；第二步利用前面生成的点云文件计算全局光照效果。由于计算简单，该算法与传统的计算全局光照的算法相比，在时间及内存方面占有很大优势，被广泛应用于影视动画的制作中。但 随着大规模复杂场景的出现，所使用的点云文件会越来越大，是该算法的内存瓶颈。在电影《功夫熊猫2》的制作过程中，一个复杂场景生成的点云文件达到了88G。 

为了在有限的内存空间，正确有效的进行全局光照的计算，Kontkanen在文章[Coherent Out-of-Core Point-Based Global Illumination]中提出了核外基于点的一致性全局光照渲染方法。采用特殊的方法来构建八叉树的数据结构，利用这样的数据结构组织点云文件，将三维空间中的点进行编码压缩到一维空间，以最少的内存将点云文件的数据组织成一棵八叉树，并采用分块的方法将八叉树存储在磁盘上，在渲染时采用类似于缓存的方法，对点云文件进行有效的内外存调度。 

基于内外存调度的渲染方法成为将来渲染的必要选择，但这种渲染方式，需要大量的I/O操作。聚类点云数据时，传统的自顶向下的八叉树构建方式效率非常低。如何以最少的I/O操作正确构建八叉树，并提高内外存调度的命中率，成为提高渲染效率的关键。 

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了以内外存交换方式实现基于点的全局光照效果的渲染方法，当渲染大规模场景时，生成中间文件的大小远远大于内存空间，参考Kontkanen提出的核外基于点的一致性全局光照效果渲染的理论方法，对该项功能进行扩充和实践，优化了渲染着色阶段的数据调度，使最终能够在有限的内存空间限制下，取得正确的全局光照渲染结果。 

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：