專利名稱：一種基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法
技術領域：
本發(fā)明涉及計算機圖形渲染技術領域，具體涉及一種基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法。
背景技術：
近年來，實時真實感渲染方法的一個重要發(fā)展是復雜環(huán)境光源(環(huán)境圖)的應用越來越廣泛，在虛擬現(xiàn)實和游戲娛樂中復雜環(huán)境光也被大量的使用，這里所說的復雜環(huán)境光主要指成像設備從真實環(huán)境中采集的高動態(tài)范圍圖像光源。和傳統(tǒng)的虛擬光源(線光源、方向光源、點光源和區(qū)域光源)相比，復雜環(huán)境光從真實世界中采集，因此復雜環(huán)境光下的渲染結果通常會比傳統(tǒng)的虛擬光源下的渲染結果具有更高的真實感。然而，人的視覺系統(tǒng)能夠從真實的環(huán)境光產生的各種光學效果中獲得空間和色彩的線索，從而對物體與光源之間/場景中物體之間的空間關系產生更真實的感覺。復雜環(huán)境光下的實時渲染是一個具有挑戰(zhàn)性的熱點問題。由于需要綜合考慮到各個方向的入射光，為了求得最終的渲染結果需要一個計算昂貴的半球面積分。通過引入光照預計算，可以減少運行時的渲染計算量，并使得實時渲染成為可能，但這同時產生兩個難題:首先，光照預計算結果的數(shù)據量很大，這些數(shù)據的存儲導致方法的空間復雜度大幅增力口。其次，對許多實時交互的計算機圖形學應用而言，實時場景中的環(huán)境光源和對象都是動態(tài)改變的，如何在這些光源和對象動態(tài)改變后重新利用預計算結果，也是一個非常困難的問題。目前，關于復雜環(huán)境光下動態(tài)場景和對象實時渲染方法的研究已經成為計算機圖形學渲染方向的一個研究熱點，許多方法已經被發(fā)表來從不同的角度解決這個問題。復雜環(huán)境光下的光照計算主要針對場景中的各視點方向射出的輻射亮度(Radiance) L，其中輻射亮度被定義為單位投影表面積上單位立體角的光線的功率，它和屏幕上像素RGB通道的亮度值成正比。復雜環(huán)境光下，三維對象表面上的一點χ向Otl出射的輻射亮度L(x，ω0)可表示為單位球面,上的積分。公式的成立主要基于如下幾個假設，一、復雜場景中沒有自發(fā)光對象，所有的光照能來自于環(huán)境光；二、對象的尺度要遠小于光源的尺度(所以被稱為環(huán)境光)，因此在不同的點χ上，入射光源用L(Coi)表示；光在由光源進入視點的時候最多被對象反射一次，光在物體之間的相互反射被忽略，這被稱為直接光照照明。復雜環(huán)境光的頻率表達:復雜環(huán)境光下的光照運算和表達方法是相關的。表達環(huán)境光的方法是以一定的分辨率采樣各個方向上的輻射亮度。另外的方法是將L(Coi)分解到一組球面基上，方法中經常被使用的基函數(shù)有:小波基函數(shù)、球面徑向基函數(shù)(SBRF)和球面諧波基(SH)函數(shù)。低頻復雜環(huán)境光下的實時渲染方法，大部分的復雜環(huán)境光下的實時渲染方法都利用了光傳播的線性特性，即出射的亮度函數(shù)是對入射亮度函數(shù)增加了一個線性算子的結果。這意 味著由公式表達的復雜環(huán)境光產生的出射亮度是基函數(shù)產生的出射亮度的線性組合。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，該方法支持實時地改變原始入射光輝、視點的方向以及雙向反射分布函數(shù)(BRDF)，渲染真實感高，速度快，使復雜環(huán)境光下的實時渲染成為可能，在處理動態(tài)的BRDF時，本發(fā)明的方法高效地反應出對表面點的反射及入射光輝的BRDF改變的效果?！N基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，應用于處在環(huán)境圖作用下的三維模型的渲染，包括以下步驟:(I)首先將BRDF進行基于張量的建模，采用可調節(jié)的光照、視點和反射項三部分進行表達；(2)將作用于三維模型的光線分為直接光照和間接光照，并分別進行預計算，其中對于間接光照采用張量進行表達；(3)利用步驟(2)的預計算結果，對三維模型進行渲染。
本發(fā)明采用張量來對BRDF進行建模表示，同時支持光照、視點等參數(shù)的調節(jié)；對于入射光輝來講，場景中的間接光輝和BRDF之間有著非線性關系，使得諸如PRT的線性光傳輸框架不合適。為了解決上述問題，本發(fā)明引進了預計算轉移張量(PTT)來將間接光照分解成場景中的每個BRDF函數(shù)的預計算部分，并且可以在運行時快速地結合起來以保證正確計算入射光輝，通過基于PTT的重光照，間接光照的交互式性能在BRDF動畫和材料動態(tài)改變的應用中得到了保證。步驟(I)中的BRDF被基于張量的建模分解成可調節(jié)的光照、視點及反射項三個部分，通過張量因式分解[LATHAUWER, L.D.，M00R, B.D.，AND VANDEWALLE, J.2000.0n thebest rank-1and rank-(rl, r2,...，rn)approximation of higher-order tensors.SIAMJ.Matrix Anal.App1.21，4，1324 - 1342.]將BRDF分解成僅依賴于光照、視點及反射項的三階張量，相對于通常的需要為每一個BRDF分解的view-light SVD因式分解，這種三線性分解因為沿著BRDF維度的附加近似獲得了更大的內存節(jié)省，可有效提高渲染速度。LATHAUffER等提出的張量因式分解采用張量近似方法，可提供RMS誤差條件最好的三線性分解，可產生高真實感效果的渲染結果。該方法采用一個反射數(shù)據集f(h，ω0, ω)來建模BRDF，這個反射數(shù)據集由一個給定的反射模型產生，或者從實際材料[MATUSIK，ff.，PFISTER, H.，BRAND, Μ.，ANDMCMILLAN, L.2003.Efficient isotropic brdf measurement.1n Eurographics Symp.Rendering, 241 - 247.]的測試中獲得,這里的ω。表示視點方向，ω i表示入射方向，h表示相應的反射率。表面點的BRDFf (h，ω。，ω J被描述成一個三階的張量F G RN^xN^ ,這里的Nh^ojo分別是對h、ω0, Oi的分辨率的抽樣。通過用張量因式分解將F分解成僅僅依賴于KcorCOi各因子，F(xiàn)能被近似的表示成:F ^DXhUhXn U XnU COi
HCO 0(O ,.
由此，可以由下式計算一個給定的BRDF值:
權利要求
1.一種基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，應用于處在環(huán)境圖作用下的三維模型的渲染，其特征在于，包括以下步驟: (1)首先將BRDF進行基于張量的建模，采用可調節(jié)的光照、視點和反射項三部分進行表達； (2)將作用于三維模型的光線分為直接光照和間接光照，并分別進行預計算，其中對于間接光照采用張量進行表達； (3)利用步驟(2)的預計算結果，對三維模型進行渲染。
2.如權利要求1所述的基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，其特征在于，步驟(I)中，所述基于張量的建模采用張量近似方法，表面點的BRDF為三階張量f (h, ω0, Qi):
3.如權利要求1所述的基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，其特征在于，步驟(2)中，所述間接光照為一次反彈的互反射光照及二次反彈的互反射光照。
4.如權利要求3所述的基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，其特征在于，所述一次反彈的互反射光照采用四維張量表達，其中，I表示原光輝微波、r表示區(qū)域、P表示BRDF基函數(shù)、s表示傳輸?shù)娜肷涔廨x的球諧波函數(shù)。
5.如權利要求4所述的基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，其特征在于，所述二次反彈的互反射光照采用五維張量7=(/,/I,P^r2,P1)表達，其中，I表示原光輝微波、r表示區(qū)域、P表示BRDF基函數(shù)、下標I和2分別指第一次的互反射，第二次的互反射。
6.如權利要求5所述的基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，其特征在于，步驟(3)中，重光照的計算公式如下:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于預計算轉移張量的交互重光照真實感渲染方法，應用于處在環(huán)境圖作用下的三維模型的渲染，包括以下步驟首先將BRDF進行基于張量的建模，采用可調節(jié)的光照、視點和反射項三部分進行表達；再將作用于三維模型的光線分為直接光照和間接光照，并分別進行預計算，其中對于間接光照采用張量進行表達；最后利用預計算結果，對三維模型進行渲染。本發(fā)明支持實時地改變原始入射光輝、視點的方向以及BRDF，在處理動態(tài)的BRDF時，可高效地反應出對表面點的反射及入射光輝的BRDF改變的效果，通過基于PTT的重光照，間接光照的交互式性能在BRDF動畫和材料動態(tài)改變的應用中得到了保證，可進行實時高真實感的渲染。
文檔編號G06T15/50GK103247070SQ20131014142
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權日2013年4月22日
發(fā)明者趙磊, 魯東明, 任艷姣, 陸勝, 李偉 申請人:浙江大學