[发明专利]基于自适应虚拟点光源采样的三维场景全局光照效果绘制方法

说明书

本发明公开一种基于自适应虚拟点光源采样的三维场景全局光照效果绘制方法。本方法用光栅化与阴影映射技术绘制三维场景的直接光照结果。本方法在绘制三维场景的间接光照时，通过创建反射阴影图来生成初始的候选虚拟点光源集合，然后根据候选虚拟点光源集合中的各个虚拟点光源对可视区中的阴影区域的光照贡献大小，来构建重要性采样所需的离散概率质量函数，进而通过重要性采样选取那些对增强全局光照视觉质量产生重要作用虚拟点光源，用它们照射虚拟三维场景，计算出可视区域的近似间接光照结果。本方法能在使用少量虚拟点光源照射三维场景的条件下，提高绘制出的三维场景全局光照画面视觉质量。

技术领域

本发明属于虚拟三维场景绘制技术领域，涉及一种基于自适应虚拟点光源采样的三维场景全局光照效果绘制方法。

背景技术

Addison-Wesley出版的由J.F.Hughes等人撰写的《Computer Graphics:Principles and Practice,3rd Edition》详细说明了如何使用光栅化技术绘制虚拟三维场景。发表在《Computer Graphics Forum》期刊的2011年30卷1期169～186页的论文《ASurvey of Real-Time Hard Shadow Mapping Methods》介绍了使用阴影映射(ShadowMapping)技术绘制虚拟三维场景阴影的方法。C.Dachsbacher和M.Stamminger提出利用反射阴影图来绘制虚拟三维场景的近似间接光照效果，具体参见“2005 Symposium onInteractive 3D Graphics and Games(I3D'05)”会议论文集中的论文《Reflectiveshadow maps》。反射阴影图是对阴影图概念的扩展，它的每个像素保存该像素对应的可视场景点(即从相机位置直接可见的三维几何对象表面点)的深度值、世界坐标、法向量、反射光通量等数据。在利用反射阴影图绘制虚拟三维场景的近似间接光照效果时，把它的每个像素对应的可视场景点看作一个发光的像素光源(或者称作虚拟点光源)，其发光强度等于该像素存储的反射光通量。使用这些虚拟点光源照射三维场景，即可绘制出近似间接光照效果。由于反射阴影图的像素数目通常很大，如果为反射阴影图的所有像素都创建虚拟点光源并以其照射虚拟三维场景，则计算开销太大。为了减小计算开销，需要对反射阴影图的像素对应的虚拟点光源进行重要性采样。先通过重要性采样从所有虚拟点光源中选择少量重要的虚拟点光源，然后使用这些采样得到的虚拟点光源来照射三维场景，进而绘制虚拟三维场景的近似间接光照效果。执行重要性采样要求生成服从特定概率分布的随机数。可以使用反变换法(Inversion Method)来实现特定分布随机数的生成，具体实现方式可参见Elsevier出版的由M.Pharr等人撰写的《Physically Based Rendering:From Theory ToImplementation,2^nd Edition》。对于离散随机变量，通常用概率质量函数(ProbabilityMass Function)来描述其统计特性。虚拟三维场景的全局光照可以分成直接光照和间接光照两部分，直接光照来源于主光源的直接照射，间接光照是主光源发射的光经其他对象散射后产生的光照贡献，通常直接光照要比间接光照明亮很多。因此，在直接光照能照射到的三维场景区域，间接光照产生的视觉贡献通常很小。换句话说，间接光照实际上主要在主光源发出的光不能直接到达的区域产生明显的视觉效果贡献。这就意味着，在对虚拟点光源进行重要性采样时，应该在概率意义上选取那些对三维场景直接光照阴影区域产生最大光照贡献的虚拟点光源。如图1所示，在点光源照射下的三维场景的地板上存在阴影区域，从视点位置可以看到阴影区域。虚拟点光源101对阴影区域产生光照贡献，虚拟点光源102和虚拟点光源103不对阴影区域产生光照贡献；由于阴影区域没有直接光照，间接光照视觉效果表现得最明显。因此，在计算三维场景间接光照时，应该以大概率方式选择虚拟点光源101照射三维场景。根据上述分析，本发明提供一种基于自适应虚拟点光源采样的三维场景全局光照效果绘制方法，该方法依据虚拟点光源对三维场景可视区域的直接光照阴影区域产生的光照贡献大小，来自适应地选取对增强可视区域全局光照视觉效果产生重要作用的虚拟点光源，从而提高虚拟三维场景的全局光照效果绘制质量。

发明内容