在光線跟蹤中利用三維場(chǎng)景空間梯度信息實(shí)現(xiàn)屏幕像素自適應(yīng)采樣的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種在光線跟蹤中利用三維場(chǎng)景空間梯度信息實(shí)現(xiàn)屏幕像素自適應(yīng)采樣的方法。本方法首先基于光線投射方法，計(jì)算從視點(diǎn)位置發(fā)射的穿過屏幕像素的光線與三維場(chǎng)景的交點(diǎn)及交點(diǎn)位置的法向量，在此基礎(chǔ)上計(jì)算每個(gè)屏幕像素對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景空間梯度信息，進(jìn)而以此為依據(jù)自適應(yīng)地選取各個(gè)屏幕像素的采樣光線數(shù)目。在光線跟蹤中利用本方法，能在實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場(chǎng)景畫面反走樣的同時(shí)，有效地減少不必要的采樣光線跟蹤操作，從而提高光線跟蹤繪制效率。
【專利說明】在光線跟蹤中利用三維場(chǎng)景空間梯度信息實(shí)現(xiàn)屏幕像素自 適應(yīng)采樣的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于三維圖形繪制【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種在光線跟蹤中利用三維場(chǎng)景空間梯 度信息實(shí)現(xiàn)屏幕像素自適應(yīng)采樣的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在使用光線跟蹤方法繪制三維場(chǎng)景畫面時(shí)，如果空間采樣頻率不足，就會(huì)造成繪 制出的畫面出現(xiàn)走樣。為了解決三維場(chǎng)景畫面繪制的走樣問題，通常針對(duì)每個(gè)屏幕像素，產(chǎn) 生多條采樣光線，最后通過對(duì)各屏幕像素的所有采樣光線對(duì)應(yīng)的光亮度求平均得到反走樣 后的屏幕像素光亮度值，進(jìn)而據(jù)此計(jì)算屏幕像素的顏色值。實(shí)際三維場(chǎng)景畫面的不同區(qū)域 的圖像空間變化頻率并不相同；通常在幾何對(duì)象邊緣區(qū)域的圖像空間變化頻率比非邊緣區(qū) 域高；因此幾何對(duì)象的邊緣區(qū)域往往最容易產(chǎn)生走樣。為了在獲得較好的畫面反走樣效果 的前提下，提高光線跟蹤的繪制效率，需要根據(jù)屏幕像素對(duì)應(yīng)的畫面位置，自適應(yīng)地選取屏 幕像素的采樣光線數(shù)目。三維場(chǎng)景畫面圖像像素對(duì)應(yīng)的幾何對(duì)象片段的深度和法向量的梯 度信息可以在一定程度上反映該像素所在區(qū)域的圖像空間變化情況。本發(fā)明用三維場(chǎng)景空 間梯度信息作為啟發(fā)式信息，設(shè)計(jì)屏幕像素的自適應(yīng)采樣方法，以選取合適的屏幕像素采 樣光線數(shù)目，在實(shí)現(xiàn)光線跟蹤繪制的三維場(chǎng)景畫面的反走樣的同時(shí)，提高三維場(chǎng)景畫面繪 制效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本方法的目的在于，提供一種在光線跟蹤中利用三維場(chǎng)景空間梯度信息實(shí)現(xiàn)屏幕 像素自適應(yīng)采樣的方法。本方法的技術(shù)解決方案：首先使用光線投射方法，從視點(diǎn)位置發(fā)射 穿過各屏幕像素中心點(diǎn)的光線，計(jì)算光線與三維場(chǎng)景的幾何對(duì)象的離視點(diǎn)最近的交點(diǎn)及交 點(diǎn)位置處的法向量；然后計(jì)算各屏幕像素對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景空間梯度的幅值的最大值A(chǔ)001 ; 最后根據(jù)最大值A(chǔ)001，自適應(yīng)地選取屏幕像素的采樣光線數(shù)目，并完成對(duì)三維場(chǎng)景的光線 跟蹤繪制。圖1所示為9個(gè)屏幕像素，其中位于中央位置的屏幕像素109被屏幕像素101、 屏幕像素102、屏幕像素103、屏幕像素104、屏幕像素105、屏幕像素106、屏幕像素107、屏 幕像素108共8個(gè)屏幕像素圍繞。屏幕像素109對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景空間梯度的幅值的最大值 A001根據(jù)屏幕像素109及其周圍的相鄰屏幕像素對(duì)應(yīng)的穿過屏幕像素中心點(diǎn)的光線與三 維場(chǎng)景的幾何對(duì)象的交點(diǎn)及交點(diǎn)位置處的法向量計(jì)算得到。
[0004] 本方法的第一部分計(jì)算各個(gè)屏幕像素對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景空間梯度信息，具體實(shí)現(xiàn)步 驟如下：
[0005] StepOOl :對(duì)每個(gè)屏幕像素 A002,使用光線投射方法，從視點(diǎn)位置發(fā)射穿過屏幕像 素 A002的中心點(diǎn)的光線A101，計(jì)算光線A101與三維場(chǎng)景的幾何對(duì)象的離視點(diǎn)最近的交點(diǎn) A102以及交點(diǎn)A102處的幾何對(duì)象表面法向量A103 ;將屏幕像素 A002對(duì)應(yīng)的光線A101對(duì) 應(yīng)的交點(diǎn)A102和法向量A103保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中；每個(gè)屏幕像素 A002都與保存在 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中的一個(gè)交點(diǎn)A102和法向量A103相對(duì)應(yīng)；
[0006] St印002 :對(duì)每個(gè)屏幕像素 A002,做如下操作：
[0007] Step002-1 :計(jì)算屏幕像素 A002對(duì)應(yīng)的保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中的交點(diǎn)A102到 視點(diǎn)的距離Di ;將屏幕像素 A002對(duì)應(yīng)的保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中的法向量A103賦值給 變量K ;對(duì)變量&表示的法向量進(jìn)行歸一化，再將歸一化后的結(jié)果賦值給變量& ;
[0008] Step002_2 :令變量 dDm = 0 ;令變量 dNm = 0 ;
[0009] St印002-3 :對(duì)屏幕像素 A002周圍的每個(gè)相鄰屏幕像素 A105,做如下操作：
[0010] 計(jì)算屏幕像素 A105對(duì)應(yīng)的保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中的交點(diǎn)A102到視點(diǎn)的距離 D2 ;如果|D「D2| >dDm，則令dDm= |D「D2| ;將屏幕像素 A105對(duì)應(yīng)的保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi) 存中的法向量A103賦值給變量N2 ;對(duì)變量N2表示的法向量進(jìn)行歸一化，再將歸一化后的結(jié) 果賦值給變量N2 ;如果maxdNd」，，IU2」）> dNm,則令dNm = maxdNi χ-Ν2，χ|，ΙΝμ-ΝμΙ，iNu-Nul) 為變量?表示的法向量的x分量，N 1>y為變量K表示 的法向量的y分量，N1>z為變量&表示的法向量的z分量，N2,x為變量N 2表示的法向量的X 分量，N2,y為變量N2表示的法向量的y分量，N2, z為變量N2表示的法向量的z分量，max表 示求最大值，I · I表示求絕對(duì)值；
[0011] St印002-4 :為屏幕像素 A002關(guān)聯(lián)一個(gè)深度梯度的幅值的最大值變量A106,將變 量A106賦值為變量dDm的值；為屏幕像素 A002關(guān)聯(lián)一個(gè)法向量梯度的幅值的最大值變量 A107,將變量A107賦值為變量dNm的值；
[0012] St印002-5 :針對(duì)屏幕像素 A002的操作結(jié)束。
[0013] 本方法的第二部分在光線跟蹤中利用三維場(chǎng)景空間梯度信息實(shí)現(xiàn)屏幕像素自適 應(yīng)采樣，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0014] St印101 :對(duì)每個(gè)屏幕像素 B001，做如下操作：
[0015] SteplOl-Ι :在本方法的第一部分得到的三維場(chǎng)景空間梯度信息的基礎(chǔ)上，將與屏 幕像素 B001相關(guān)聯(lián)的深度梯度的幅值的最大值變量A106的值賦值給變量0"1，將與屏幕像 素 B001相關(guān)聯(lián)的法向量梯度的幅值的最大值變量A107的值賦值給變量Nm ;
[0016] Stepl01-2 :如果

【權(quán)利要求】
1.在光線跟蹤中利用三維場(chǎng)景空間梯度信息實(shí)現(xiàn)屏幕像素自適應(yīng)采樣的方法，其特征 在于，技術(shù)解決方案和所需的實(shí)現(xiàn)步驟如下： 本方法的技術(shù)解決方案：首先使用光線投射方法，從視點(diǎn)位置發(fā)射穿過各屏幕像素中 心點(diǎn)的光線，計(jì)算光線與三維場(chǎng)景的幾何對(duì)象的離視點(diǎn)最近的交點(diǎn)及交點(diǎn)位置處的法向 量；然后計(jì)算各屏幕像素對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景空間梯度的幅值的最大值A(chǔ)001 ;最后根據(jù)最大值 A001，自適應(yīng)地選取屏幕像素的采樣光線數(shù)目，并完成對(duì)三維場(chǎng)景的光線跟蹤繪制；屏幕像 素109對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景空間梯度的幅值的最大值A(chǔ)001根據(jù)屏幕像素109及其周圍的相鄰 屏幕像素對(duì)應(yīng)的穿過屏幕像素中心點(diǎn)的光線與三維場(chǎng)景的幾何對(duì)象的交點(diǎn)及交點(diǎn)位置處 的法向量計(jì)算得到； 本方法的第一部分計(jì)算各個(gè)屏幕像素對(duì)應(yīng)的三維場(chǎng)景空間梯度信息，具體實(shí)現(xiàn)步驟如 下： StepOOl :對(duì)每個(gè)屏幕像素 A002,使用光線投射方法，從視點(diǎn)位置發(fā)射穿過屏幕像素 A002的中心點(diǎn)的光線A101，計(jì)算光線A101與三維場(chǎng)景的幾何對(duì)象的離視點(diǎn)最近的交點(diǎn) A102以及交點(diǎn)A102處的幾何對(duì)象表面法向量A103 ;將屏幕像素 A002對(duì)應(yīng)的光線A101對(duì) 應(yīng)的交點(diǎn)A102和法向量A103保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中；每個(gè)屏幕像素 A002都與保存在 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中的一個(gè)交點(diǎn)A102和法向量A103相對(duì)應(yīng)； Step002 :對(duì)每個(gè)屏幕像素 A002,做如下操作： Step002-1 :計(jì)算屏幕像素 A002對(duì)應(yīng)的保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中的交點(diǎn)A102到視點(diǎn) 的距離Di ;將屏幕像素 A002對(duì)應(yīng)的保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中的法向量A103賦值給變量 隊(duì)；對(duì)變量&表示的法向量進(jìn)行歸一化，再將歸一化后的結(jié)果賦值給變量& ; Step002_2 :令變量 dDm = 0 ;令變量 dNm = 0 ; St印002-3 :對(duì)屏幕像素 A002周圍的每個(gè)相鄰屏幕像素 A105,做如下操作： 計(jì)算屏幕像素 A105對(duì)應(yīng)的保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存中的交點(diǎn)A102到視點(diǎn)的距離D2 ; 如果| DrD21 > dDm，則令dDm = | DrD21 ;將屏幕像素 A105對(duì)應(yīng)的保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi) 存中的法向量A103賦值給變量N2 ;對(duì)變量N2表示的法向量進(jìn)行歸一化，再將歸一化后的結(jié) 果賦值給變量 N2;如果 maxWu-Nul，IUmI，lUul) > dNm,則令 dNm = Χ-Ν2，χ|，ΙΝμ-ΝμΙ，iNu-Nul) 為變量?表示的法向量的x分量，N1>y為變量K表示 的法向量的y分量，N1>z為變量&表示的法向量的z分量，N2,x為變量N 2表示的法向量的X 分量，N2,y為變量N2表示的法向量的y分量，N2, z為變量N2表示的法向量的z分量，max表 示求最大值，I · I表示求絕對(duì)值； St印002-4 :為屏幕像素 A002關(guān)聯(lián)一個(gè)深度梯度的幅值的最大值變量A106,將變量 A106賦值為變量dDm的值；為屏幕像素 A002關(guān)聯(lián)一個(gè)法向量梯度的幅值的最大值變量 A107,將變量A107賦值為變量dNm的值； Step002-5 :針對(duì)屏幕像素 A002的操作結(jié)束； 本方法的第二部分在光線跟蹤中利用三維場(chǎng)景空間梯度信息實(shí)現(xiàn)屏幕像素自適應(yīng)采 樣，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下： SteplOl :對(duì)每個(gè)屏幕像素 B001，做如下操作： SteplOl-Ι :在本方法的第一部分得到的三維場(chǎng)景空間梯度信息的基礎(chǔ)上，將與屏幕 像素 B001相關(guān)聯(lián)的深度梯度的幅值的最大值變量A106的值賦值給變量，將與屏幕像素 B001相關(guān)聯(lián)的法向量梯度的幅值的最大值變量A107的值賦值給變量Nm ; SteplOl-2 :如果
，其中Tm為深度梯度閾值，Sm為法向量梯度閾值，
表示向下取整，貝1J轉(zhuǎn)子步驟Stepl01-4 ; Stepl01-3 :如果
則將
賦值給變量NUM，否則將25賦值給變量NUM ; 轉(zhuǎn)子步驟St印101-5 ; Step 101-4 :如果
則將
賦值給變量NUM，否則將25賦值給變量NUM ; Stepl01-5 :在屏幕像素 B001的空間區(qū)域內(nèi)隨機(jī)地選取NUM個(gè)點(diǎn)，從視點(diǎn)位置發(fā)射光線 穿過這NUM個(gè)點(diǎn)，得到NUM條光線；利用光線跟蹤方法，跟蹤這NUM條光線在三維場(chǎng)景中的 傳輸，計(jì)算每條光線對(duì)應(yīng)的光亮度，最后計(jì)算這NUM條光線的光亮度的平均值B002 ; Stepl01-6 :針對(duì)屏幕像素 B001的操作結(jié)束； Stepl02 :根據(jù)各屏幕像素對(duì)應(yīng)的光亮度的平均值B002,計(jì)算各屏幕像素的顏色值，以 生成三維場(chǎng)景畫面的圖像，將其保存到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的磁盤文件中。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104063891SQ201410332148
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月5日
【發(fā)明者】陳純毅, 楊華民, 李巖芳, 蔣振剛, 曲福恒, 李華 申請(qǐng)人:長春理工大學(xué)