[发明专利]复用场景点光源可见性的超采样光线跟踪方法

说明书

本发明公开一种复用场景点光源可见性的超采样光线跟踪方法。本方法在对三维场景进行超采样光线跟踪绘制时，对于光线传输路径上的那些从视点不能直接可视的场景点，在测试它们的光源可见性时，先在网格空间数据结构中查找在一定范围内是否有与它们相临近的场景点，如果没有，则计算光源与当前处理的场景点之间的可见性并存入到网格空间数据结构中，否则把在空间位置和法向量上最接近的临近场景点的光源可见性作为当前处理的场景点的光源可见性近似值。本方法能显著减少超采样光线跟踪绘制中的光源可见性测试开销，提高三维场景超采样光线跟踪绘制的速度。

技术领域

本发明属于虚拟三维场景绘制技术领域，涉及一种复用场景点光源可见性的超采样光线跟踪方法。

背景技术

超采样是一种常见的用于实现三维场景绘制画面抗锯齿失真的技术。如图1所示，在使用超采样的三维场景画面光线跟踪绘制中，需要从视点向虚拟相机的虚拟像素平面上的每个像素发射多条光线，然后分别对这些光线进行跟踪操作，最后再对穿过同一像素的各条光线的光照亮度贡献值求平均，并把平均光照亮度贡献值转化成像素的最终颜色值。由于对虚拟像素平面上的每个像素都要产生多条光线，使用超采样的三维场景画面光线跟踪比较耗时。场景点的光源可见性计算是光线跟踪中的一个重要的耗时操作。场景点的光源可见性计算就是判断场景点和光源之间是否直接可视，如果直接可视，场景点的光源可见性可以看作为1，否则场景点的光源可见性可以看作为0。跟踪光线操作需要求解光线传输路径与三维场景的几何对象的各个交点，并计算光源在每个交点处产生的沿交点处的光线入射方向的反方向传输的光照亮度贡献值。注意，实际光线传输方向应该是从光源位置出发，最终传到视点，然而光线跟踪通常从视点位置开始跟踪光线，因此光线跟踪的光线传输方向正好与实际的光线传输方向相反。在计算光源在每个交点(是一个场景点)处产生的沿交点处的光线入射方向的反方向传输的光照亮度贡献值时，需要计算该交点的光源可见性。对于使用超采样的三维场景画面光线跟踪绘制来说，由于虚拟像素平面上的每个像素对应多条光线，这些光线的传输方向通常大致相同，因此这些光线的传输路径与三维场景几何对象的交点的光源可见性会存在空间相关性，这为复用它们的光源可见性提供了可能。复用场景点的光源可见性可能会引入一定的误差，为了减小这种误差，对于从视点直接可视的场景点，宜采用精确计算场景点的光源可见性的方法。为了复用场景点的光源可见性，需要把场景点的光源可见性存储起来。可以使用网格(Grid)空间数据结构来存储场景点的光源可见性，以便在复用场景点的光源可见性时能够快速找到相关的场景点。由J.F.Hughes等人撰写的2014年Addison-Wesley出版的《Computer Graphics:Principlesand Practice,3rd Edition》对网格空间数据结构作了详细介绍，网格空间数据结构中的每个元素都有一个关键字(key)，根据关键字可以把一个元素插入到网格空间数据结构的特定位置，也可以根据关键字从网格空间数据结构中查找特定元素。光线入射到几何对象上后通常会改变原来的传输方向(例如发生反射)，这一过程在《Computer Graphics:Principles and Practice,3rd Edition》中被描述成散射，该书中还叙述了如何计算光源直接发出的光在几何对象表面散射后沿特定方向传输的光照亮度值。本发明提供一种复用场景点光源可见性的超采样光线跟踪方法，通过在跟踪光线的过程中复用临近场景点的光源可见性来减少超采样光线跟踪绘制的时间开销。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种复用场景点光源可见性的超采样光线跟踪方法，通过复用保存在网格空间数据结构中的场景点的光源可见性计算结果，达到减小超采样光线跟踪中的光源可见性测试开销的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种复用场景点光源可见性的超采样光线跟踪方法，其特征在于，所需的数据结构及实现步骤如下：

提供一种数据结构ISPOINTLV，用于存储场景点的光源可见性，数据结构ISPOINTLV包含场景点位置POS、场景点所在位置的表面法向量VN、场景点的光源可见性LVis共三个成员变量；本方法的具体实现步骤如下：