[发明专利]一种线性变换球面分布的实时间接光泽反射渲染方法

说明书

本发明属于实时渲染领域，公开了一种线性变换球面分布的实时间接光泽反射渲染方法，确定虚拟点光源生成算法并且进行改进；通过定义重要性因子，确定虚拟点光源的半径，并且根据俄罗斯轮盘法进行虚拟点光源的随机剔除；在基于立即辐射度算法的全局光照渲染管线中，采用了一种线性变换球面分布的数学思想，将光照计算中复杂的球面分布线性变换到余弦分布中进行计算；通过对全局光照计算公式进行改进，将线性变换矩阵与具体着色点解耦。本发明具体稳定的渲染效率、较低的系统开销和较低的渲染误差。

技术领域

本发明属于实时渲染领域，尤其涉及一种线性变换球面分布的实时间接光泽反射渲染方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

间接光泽反射效果是日常生活中很常见的光照效果之一，对间接光泽反射效果的模拟在游戏、影视动画、虚拟现实、视景仿真等等领域中具有极其重要的价值和研究意义，间接光泽反射效果能够极大地增强渲染图像的真实感，是图形渲染领域中至关重要的一部分。在实时渲染领域中，立即辐射度算法是用于实时模拟间接光泽反射效果的算法之一。在该算法中为了计算虚拟点光源处以及着色点处的光泽反射效果，通常会借助某种光照模型来计算反射光线的辐射亮度，比如Blinn-Phong模型，但是该光照模型不符合真实物理定律，而近年来在基于立即辐射度的GGX BRDF光照模型来计算光泽反射。但是GGX BRDF光照模型的计算复杂度很高，而且其计算开销会随着虚拟点光源的数量呈线性增长，最终导致在GGX BRDF光照模型中具有较高的光照计算开销，使渲染效率受到影响。

此外，在基于辐射度计算全局光照的许多方法中，需要通过在场景中生成虚拟点光源来计算间接光照。其中最具有代表性的是即时辐射度算法，通过从光源出发的拟随机行走粒子与场景相交并在相交处产生虚拟点光源。反射阴影贴图算法则简化了生成虚拟点光源的过程，该方法通过生成一张反射阴影贴图，并直接在阴影贴图上采样生成虚拟点光源。之后在此基础上，许多改进的方案陆续被提出，但从某种程度上来说，这类方法均依赖于光源的位置，并不能很好地支持所有的光照场景。如当场景较为复杂时，阴影贴图中相邻像素的深度值可能存在较大的差异，那么根据阴影贴图采样生成虚拟点光源可能会遗漏许多细节，造成最终光照结果的偏差。此外当场景中存在多个光源时，则需要每帧为每个光源均生成一张阴影贴图，这将带来很大的计算成本，且根据多张阴影贴图生成的虚拟点光源也无法复用。为了简化虚拟点光源的生成方式以及加强对虚拟点光源的复用，出现了一些基于物体空间生成虚拟点光源的方法，根据场景的几何信息来生成虚拟点光源，并建立相应的层级结构进行管理。在物体空间生成虚拟点光源的方式普遍是基于模型表面的三角形网格来生成虚拟点光源，并以网格的中心点作为虚拟点光源在空间中的位置。这种方法需要解决模型表面的三角形网格大小各异，分布情况复杂的问题。如前向光源裁剪算法，就考虑到物体表面的三角形网格可能存在大小不一的问题，因而在网格处理阶段根据三角形的面积进行划分，对较大的三角形网格进行细分，而对较小的三角形网格则随机裁减。但一方面，该方法未考虑到场景表面可能存在一些形状狭长的三角形网格，这些网格也能满足对面积的要求，但在其上生成虚拟点光源时，虚拟点光源对区域的代表性较差，容易产生光照结果的偏差；另一方面，为了减少参与最终光照计算的虚拟点光源的数量，该方法使用随机裁剪虚拟点光源的方式，这也会造成一定程度上的光照结果偏差。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)基于阴影贴图生成的虚拟点光源在多光源场景中无法复用和基于三角形网格生成的虚拟点光源可能存在因网格形状、大小等因素带来结果偏差的问题；

(2)随机裁剪虚拟点光源可能计算很多对着色点影响很小的虚拟点光源；

(3)GGX BRDF光照模型来渲染间接光泽反射效果所带来的高开销问题；

解决上述技术问题的难度和意义：