[发明专利]基于光分片的多光源场景渲染方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形图像领域，具体涉及一种基于光分片的多光源场景渲染方法。

背景技术

近年来的研究表明复杂的光照效果可以通过将数以十万计的虚拟点光源(VPL,virtual point lights)的贡献叠加起来获得近似结构。这个最终叠加步骤被称为多光源问题。由于点光源的数量巨大，计算所有点光源的贡献是不可行的。

真实渲染是计算机图形领域中被研究最多的问题之一。很多算法被提出来解决复杂光照场景下的渲染问题。在计算机图像领域中，对大型复杂场景进行全局光照快速计算始终是一个挑战。已经有很多方法用来解决这个问题，比如双向路径追踪法，光子映射等。Walter等人提出的Lgihtcuts算法，根据几何相近度渐进地将光源进行聚类组织，构成光源树。数中的每个节点对应一个光源簇，簇中的一个VPL被选取代表整个簇的光照贡献。Lightcuts通过选取代表簇并使用光线跟踪算法来获得最终渲染图像。选取代表簇的过程是用过分层扩展光源树来实现的。每个树节点上都采用该算法来生成子树，直到整棵树的渲染近似度达到要求。

等人提出的矩阵行列采样法，利用了矩阵的低秩特征。由于相近光源具有类似性，他们对应的列也具有相似性。为了获得最终图像，矩阵行列采样法将光源进行分簇，然后在每个簇中选取代表列，对代表列进行渲染计算。为了获得最佳分簇，选取矩阵中的一部分行作为缩减矩阵，在缩减矩阵中评估分簇法的误差。矩阵的列根据选出的最优分簇法进行分簇，具有相似特征的列被分到一起。矩阵行列采样在全局光照场景下效果很好。Keller提出了一种瞬时光辐射，一种基于少量VPL来模拟全局光照的方法，等人在2006年提出了一种基于GPU实现的用于电影制作渲染的针对固定视角进行多点间接光照方法。Chesk-Postava等人在2008年提出了使用预处理可见性切合支持交互光照以及材料设计应用。我们的方法与这些方法都不同，可以使用大量VPL，并且不需要进行预处理。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于光分片的多光源场景渲染方法，用于解决渲染时多光源问题。

一种基于光分片的多光源场景渲染方法，包括如下步骤：

(1)根据待渲染多光源场景中各个采样面的几何邻近关系对待渲染多光源场景的初始全局光源矩阵进行分片，得到若干个切片；

(2)针对初始全局光源矩阵的每一个切片进行片采样，根据所有切片的片采样结果形成初始全局光源矩阵的采样矩阵，并对采样矩阵进行光源分簇得到分簇后的采样矩阵：

(3)针对任意一个分片，根据各个分片的之间结构关系以及分簇后的采样矩阵构建分簇后的局部矩阵，并对分簇后的局部矩阵中的每一簇进行细分得到该分片对应的细分矩阵；

(4)针对各个细分矩阵，根据片采样结果确定该细分矩阵对应的像素点，并计算该像素点的像素值：

(5)利用所有细分矩阵对应的像素点，基于低秩矩阵补全法对待渲染的多光源场景进行渲染。

使用瞬间全局光照法的变种方法获得渲染图像，将直射光照和间接光照被近似转化为分布在全局中的多个虚拟点光源的光照效果总和，进而将全局光照问题转化为计算大量点光源在图像上光照效果的问题，比如多光源问题。在离线渲染领域的研究，比如高保真渲染表明对于具有漫反射及低光度材料的场景，使用数百或数千虚拟点光源，可以获得与直射光照及间接光照接近的效效果。虚拟点光源也被用于实时应用，在这种应用中，为了提高计算速度，虚拟点光源的数量有所减少。此外，虚拟点光源还被用于电影制作。将重点放在复杂场景的高保真渲染上，而非交互应用。

本发明将多光源问题当作矩阵采样问题来处理，假设初始全局光源矩阵是一个大小为m×n的转置矩阵，其中m是采样面(即像素点)的数量，n是VPL(即虚拟光源)的数量。初始全局光源矩阵中第i行第就列的元素(i，j)是虚拟光源j在采样面i上的贡献，采样面i上的最终渲染结果就是各列贡献之和，可以用如下公式表示：

I(i)＝Σ_jA(i,j)

在具体实现时，通过对面光源进行随机采样生成直接光照的VPL，通过分层采样进行环境映射，使用跟踪法生成间接光照VPL。由于使用了大量VPL，如果对初始全局光源矩阵进行直接处理会带来巨大的计算量。光分片法就是一种利用矩阵结构特征对矩阵进行高效处理，获得多光源问题近似解的算法。