[发明专利]基于模态光照明的材料反射特性表征和渲染方法

说明书

本发明公开了一种基于模态光照明的材料反射特性表征和渲染方法。该方法包括：使用半球正交函数将入射光照按模态分解，获得模态强度；将模态光照明下的材料反射特性按入射光照模态强度进行叠加；获得总的反射光分布。本发明的方法将材料的反射特性记录为“模态光照明”下的反射分布，并采用半球正交函数将反射特性分解后记录成一个二维矩阵，从而使材料反射特性表征和渲染过程非常高效。

技术领域

本发明属于三维计算机图形技术领域，具体涉及一种采用模态光照明的材料反射特性表征，以及基于该表征的渲染方法。

背景技术

材料在光照下的反射特性对计算机通过渲染产生逼真的图像具有重要的作用，通常使用双向反射分布函数BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)来描述光线在物体表面反射特征，定义为反射方向(θ_r,φ_r)上的辐射率增量dL_r与入射方向(θ_i,φ_i)上的辐射照度增量dE_i之比。

BRDF是一个与入射方向和反射方向有关的四维函数，维度高，在表达、存储和计算时效率低，通常要进行简化，目前BRDF简化的方法有：

1、经验模型：不考虑材料本身的特性，仅对反射光进行粗糙的近似，因此经验模型往往非常高效，而且方便运算，且不满足BRDF的亥姆霍兹互易性和能量守恒定理。典型的经验模型有Blinn-Phong模型、Lambertian模型、Lafortune模型等。

2、物理模型：基于光与物质作用原理建立，可以根据材质的性质预估参数，较经验模型更为精确，但物理模型使用中参数过多，较为复杂。典型的物理模型有Torrance-Sparrow模型、Ashikhmin反射模型、Westin模型。

3、数据驱动模型：采集真实材质表面在不同光照角度下的反射光分布，将实测数据记录在数据库中，以便查找和计算。比较著名的数据库有MERL BRDF Database，记录了100种各向同性材料的实测BRDF。数据驱动模型渲染出来的结果真实，但为了需要高密度采样，数据量庞大、计算成本高。

发明内容

本发明针对现有渲染方法获取材料反射特性不便的不足，提出一种基于模态光照明的材料反射特性表征和渲染方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于模态光照明的材料反射特性表征和渲染方法，包括：

步骤1：建立光照模型；

选定反射计算的片元，获得片元中心的空间坐标及法线方向，以法线为Z轴，垂直于法线的两个正交方向为X、Y轴，建立渲染坐标系；

步骤2：入射光模态分解；

采用半球正交函数HOF将入射光照分解成多个模态，所述半球正交函数包括半球谐函数HSH、或者泽尼克半球函数ZSF、或者纵向半球函数LSF，获得各个模态的反射光辐照强度，具体表达为：

其中θ_i为渲染坐标系下入射光的高度角，范围是0到π/2；为渲染坐标系下入射光的方位角，范围是0到2π；共采用n项半球正交函数HOF逼近入射光辐照率每个模态的强度为α_k(k＝1,2,L,n)；

步骤3：将模态光照明下的材料反射特性按入射光照模态强度进行叠加，获得总的反射光辐照强度；包括：

基于步骤2中各个模态的反射光辐照强度，总的反射光辐照强度表示为：

将式(3-1)中的积分部分定义为材料在模态光照明下的反射特性，即：