[发明专利]用于通过复杂照明下路径追踪进行场景渲染的设备及方法

说明书

通过路径追踪在图像网格上渲染由光源(L1、L2)照亮的3D场景(2)。在3D场景中追踪源自每个网格像素(P1A、P1B、P2)的至少一条射线，直到其在交叉点(M1A、M1B、M2)处遇到对象(21、22)，将该射线向光源中的一个光源反射，在交叉点和该光源之间为该射线进行可见性测试，以及在交叉点处添加该光射线的作用，以在所涉及的像素处进行渲染。根据光源以集群方式在像素上进行可见性侧，根据分别与所述可见性测试相关联的光源的功能在计算和/或存储器存储方面集群可见性测试。应用于GPU。

技术领域

本发明涉及计算机图形学中的图像渲染领域，尤其是在复杂照明下的虚拟3D场景的交互式渲染。它更具体地针对GPU实时渲染(图形处理单元)。

在本公开中，术语“渲染”大体上指的是几何和材料数据到可见图像的转换。

背景技术

通过考虑所有直接和间接照明的作用(contribution)，真实照明效果的渲染需要场景中的全(full)光交换的适当模拟。具有挑战性的任务包括求解渲染方程，该渲染方程表示到达以所有方向被散射的表面的所有照明作用的积分。在如James T.Kajiya所著的“The Rendering Equation”,ACM SIGGRAPH Computer Graphics，n°143-150，1986的文章中描述了这样的方程。

然而，求解该渲染方程并不繁琐，也没有解析解存在，主要是因为由复杂场景几何引起的可见性问题。随机射线追踪方法，比如路径追踪(参见尤其是上述ACM SIGGRAPH文献)需要追踪大量的光路径来求解它。

由于许多随机路径不能直接到达光源，路径追踪引擎往往依赖于沿着路径的直接光采样策略，称为下一个事件模拟。该方法通过在沿着路径的每次反射处直接对光源进行采样，并将其光作用添加到由路径携带的能量中，从而提高路径追踪的收敛速度。

这种技术极大地有助于在路径中添加能量，但在需要的计算时间内可以被增强。

在D.van Antwerpen所著的“Improving SIMD Efficiency for Parallel MonteCarlo Light transport on the GPU”,High Performance Graphics,2011的文章中，蒙特卡洛(Monte Carlo)光传输算法尤其比如路径追踪是相对于任意行走的随机终止被增强，这通常导致在样品之间的不均匀工作量，从而降低了SIMD(单输入多数据)效率。在这方面，将流压缩与样本重生相结合，在每次扩展之后在流的结尾处重新生成新的样本。由于新生成的样本被并排放置在流的结尾处，所以在样本重生期间SIMD效率保持很高。

虽然增强了计算效率，后者取决于任意的俄罗斯轮盘终止和相关线程束中并排的新生成的样本的数量。

双向路径追踪技术也是众所周知的。在这样的实现中，从像素和光源追踪光射线，更准确地说，在任意行走阶段期间，为每个样本构建眼睛路径和光路径，并且当两者都被终止时，在连接阶段期间评估这些路径之间的所有连接。

因此，眼睛和光路径的随机终止会导致样本之间的不均匀工作量。通过由D.vanAntwerpen在上述文章中提出的方案受制于上述效率的限制，部分地解决了该问题。

在E.P.Lafortune和Y.D.Willems所著的“Reducing the Number of Shadow Raysin Bidirectional Path Tracing”,WSCG’95,1995的文章中，提出了用于降低在双向路径追踪中阴影射线的数目的算法。联合增加样本的数目能够补偿随机过程方差的轻微增加。更准确地说，阴影射线是基于它们作用的重要性而被选择的。取决于不同的实现方式，在以下组中，为每一组选择单个阴影光射线：光路径上每个点的一组照明作用，或者眼睛路径上每个点的一组照明作用，或者一组所有的照明作用。选择每个像素的样本数目，以大约获得射线的恒定总数目。