一種三通道的透明材質的高真實感渲染方法
2023-05-02 04:04:01
專利名稱：一種三通道的透明材質的高真實感渲染方法
技術領域：
本發明涉及計算機圖形渲染技術領域，尤其涉及一種三通道的透明材質的高真實感渲染方法。
背景技術：
在計算機圖形學真實感渲染領域和虛擬實境中，準確的對真實世界的光照進行虛擬建模來生成真實感圖像是一個具有挑戰性的難題。許多學者為真實感圖形的渲染提出過很多光亮度虛擬模型，來描述各種材料的光散射行為。其中絕大部分的模型是基於BRDF和BSSRDF，這些模型都假設真實的光線是從物體的表面的同一個點進入和離開。如果物體的表面是金屬材質，這種假設和真實世界的光學行為是接近的，而且渲染得出的結果是能夠產生比較高的真實感效果。但是對於光線能夠穿透表面並在表面下傳輸的透明物體來講，BRDF和BSSRDF模型就不能夠完全反應真實世界光照行為。當光線照射到透明物體對象的外表面時，一部分光線從外表面反射，另外一部分光線穿透外表面層，在透明物體的內部進行按照一定的規律散射，並從物體外表面其它點出去，這種光學現象叫做次表面散射。傳統的次表面散射在計算時會被簡化成Lambertian漫反射，但這種簡化會使最後生成的渲染圖像很不真實。計算機圖形學領域中，最早描述次物體表面反射的數學模型是由Hamrahan和Krueger[Hanrahan, P., Krueger, ff.: Reflection from layered surfaces due to subsurfacescattering.1n:Proceedings of SIGGRAPH93, Computer Graphics Proceedings, AnnualConference Series, pp.165 - 174(1993)]提出的，該數學模型對同構的、均質的單層散射進行數學建模描述，並應用光子映射來對次表面散射進行虛擬模擬，這種方法可以用來 宣染風化石頭。Pharr 和 Hanrahan [Pharr, Μ.，Hanrahan, P.Μ.:Monte Carlo evaluationof nonlinear scattering equations for subsurface reflection.1n:Proceedingsof ACM SIGGRAPH2000, Computer Graphics Proceedings, Annual ConferenceSeries, pp.75 - 84(2000)]提出了一種非線性散射方程的方法,該描述次表面散射比傳統的MonteCarlo射線跟蹤具有更高的效率。對於散射度高的材質，Stam[Stam, J.:Multiplescattering as a diffusion process.1n:Eurographics Renderingfforkshopl995, pp.41-50 (1995)]首先提出了漫反射建模，並採用多重網格的方法來計算漫反射方程的近似值。Jensen [10.Jensen, H.ff., Marschner, S.R., Levoy, M., Hanrahan, P.: A practical modelfor subsurface light transport.1n:Proceedings of ACM SIGGRAPH2001, ComputerGraphics Proceedings, Annual Conference Series, pp.511 - 518 (2001)]等人提出的基於次表面散射的BSSRDF分析模型，該數學模型將計算時間從幾分鐘降到了幾秒鐘，大大提高了渲染效率。儘管目前許多學者在某種程度上已經改進了透明材質渲染的速度，但是由於對透明材質的渲染大多需要複雜的方法或者需要特定的數據結構，因此很難集成到現有的渲染系統中。
發明內容
本發明提供了一種三通道的透明材質的高真實感渲染方法，該方法簡單，可高效生成透明材質的高解析度的圖像，生成的圖像真實感高，且能和Monte Carlo的射線跟蹤方法、掃描線方法、全局光照方法等進行無縫集成。一種三通道的透明材質的高真實感渲染方法，包括以下步驟:(I)第一次通道渲染對待渲染的物體表面進行採樣獲得若干採樣點，計算採樣點的次表面亮度並保存在緩存中；(2)第二次通道渲染根據各採樣點的次表面亮度，對處在各採樣點周圍的點進行次表面亮度值、次表面亮度梯度值和亮度的變化範圍值進行預計算，並將預計算結果保存在所述緩存中；(3)第三次通道渲染對步驟(2)的預渲染結果進行插值得到待渲染的物體表面上所有點的次表面亮度，再根據這些次表面亮度計算所有點的亮度值生成最後的渲染圖像。在第一次通道渲染時，本發明僅僅對物體表面上選擇的點進行光亮度的計算，第二次通道渲染時，對所用緩存進行採樣並保存，它保存的值包括次表面亮度、次表面亮度的梯度等，通過預計算的光亮度值計算採樣點周圍點的光亮度的變化範圍，第三次通道渲染使用緩存重新插值來生成最後的渲染 圖像。本發明的第二次通道渲染僅用來生成渲染用的緩存，不需要對緩存進行插值，針對緩存插值是在第三次通道中進行的，可高效生成透明材質的高解析度的圖像。下面分別對三次通道渲染進行詳細說明:(I)第一次通道渲染:步驟(I)中所述採樣點為物體表面每個面的質心，並把這個面的面積作為與這個點相關的面積，採用該方法的時候，如果採樣的三維模型太粗糙則會導致最後生成的渲染圖像中有低頻的噪音，可通過將粗糙的三維模型細分的方法消除噪音。本發明米用Jensen 提出[Jensen，H.W.，Marschner，S.R.,Levoyj Μ.,Hanrahan, P.:A practical model forsubsurface light transport.1n:Proceedingsof ACM SIGGRAPH2001，ComputerGraphics Proceedings, AnnualConference]的8叉樹結構來存儲每個採樣點的位置、與採樣點相關的面積及次表面亮度值。這樣，通過不同的採樣點的聚集，可以指數級減少採樣的時間。每一個8叉樹的節點，都包含平均位置，平均次表面亮度，所有子節點的面積。採樣點的次表面亮度值的計算方程為:S = f Eip^R.1p^ P0JdPi
J π^Α其中，S是次表面亮度值；Rd是漫反射的BSSRDF函數；Pi和P。是物體內部的點和表面的點；
A是物體表面的單位表面積；//Q7.)是點Pi處的光輝傳輸函數。本發明採用的是緩存技術，所以不使用任何的渲染技術來計算全局光照(考慮到場景中物體之間的互反射以及環境光的效果)的亮度，而是僅將每一個光源的亮度的貢獻求和，來計算每個採樣點的直接次表面亮度。(2)第二次通道渲染:步驟(2)先採用射線法尋找一個可見點的集合X，針對每一個在集合X中的點Xi,查看以前生成的緩存是否可以用來插值。比如，任意一個緩存k: ω (k)>l/a，如果找到，就忽略這次計算，如果沒有找到，就在Xi點處重新生成一個新的緩存，並計算與其相關的次表面亮度值、次表面亮度梯度值及可見點附近表面的光亮度的變化範圍值汾.Π).SjSixt K F。本發明採用從下到上的掃描線順序。存儲的緩存數據包括可見點的次表面亮度值S、次表面亮度梯度值及可見點附近表面的光亮度的變化範圍值V。可見點的次表面亮度值S 採用[Jensen, H.W.，Buhler, J.:Arapidhierarchicalrendering technique fortranslucent materials.ACM Trans.Graphics21 (3)，576 - 581 (2002)]提出的快速分級的積分技術。可見點的次表面亮度梯度值VS利用積分推導技術，計算方程如下:
權利要求
1.一種三通道的透明材質的高真實感渲染方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)第一次通道渲染 對待渲染的物體表面進行採樣獲得若干採樣點，計算採樣點的次表面亮度並保存在緩存中； (2)第二次通道渲染 根據各採樣點的次表面亮度，對處在各採樣點周圍的點進行次表面亮度值、次表面亮度梯度值和亮度的變化範圍值進行預計算，並將預計算結果保存在所述緩存中； (3)第三次通道渲染 對步驟(2)的預渲染結果進行插值得到待渲染的物體表面上所有點的次表面亮度，再根據這些次表面亮度計算所有點的亮度值生成最後的渲染圖像。
2.如權利要求1所述的三通道的透明材質的高真實感渲染方法，其特徵在於，採樣時，先在待渲染的物體表面生成若干多邊形上，將各個多邊形的質心作為所述採樣點。
3.如權利要求1所 述的三通道的透明材質的高真實感渲染方法，其特徵在於，所述緩存中的數據存放方式採用8叉樹結構。
4.如權利要求1所述的三通道的透明材質的高真實感渲染方法，其特徵在於，步驟(I)中採樣點的次表面亮度值的計算方程為:
5.如權利要求4所述的三通道的透明材質的高真實感渲染方法，其特徵在於，步驟(2)中次表面亮度梯度值的計算方程為:
6.如權利要求5所述的三通道的透明材質的高真實感渲染方法，其特徵在於，步驟(3)中物體表面上所有點的次表面亮度值插值計算方程為:
全文摘要
本發明公開了一種三通道的透明材質的高真實感渲染方法，包括以下步驟首先進行第一次通道渲染，對待渲染的物體表面進行採樣獲得若干採樣點，計算採樣點的次表面亮度並保存在緩存中；然後進行第二次通道渲染，根據各採樣點的次表面亮度，對處在各採樣點周圍的點進行次表面亮度值、次表面亮度梯度值和亮度的變化範圍值進行預計算，並將預計算結果保存在所述緩存中；最後進行第三次通道渲染，對預渲染結果進行插值得到待渲染的物體表面上所有點的次表面亮度，再根據這些次表面亮度計算所有點的亮度值生成最後的渲染圖像。本發明的渲染方法簡單，可高效生成透明材質的高解析度的圖像，生成的圖像真實感高。
文檔編號G06T15/00GK103226839SQ20131014139
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月22日 優先權日2013年4月22日
發明者趙磊, 許端清, 任豔姣, 陸勝, 李偉 申請人:浙江大學