外殼紋理函數的製作方法

2023-10-08 20:17:24 2

專利名稱：外殼紋理函數的製作方法
技術領域：
本發明涉及確定由呈現出表面介孔結構(mesostructure)、半透明性和/或體積紋理的變化的材質組成的物體的有效、真實建模和渲染的紋理函數。
(2)背景技術計算機圖形學的上下文中，真實視覺虛擬物體的生成要考慮物體表面和物體體積內光線的相互作用。這種光和物體的相互作用也分別稱為反射和散射。在考慮時，反射和散射產生視覺效應，如提高所渲染的物體的圖像的真實感的陰影、遮蔽、相互反射、半透明性和精細比例的輪廓。光和物體的相互作用在物理上由物體的形狀和材質屬性支配。
以前將材質屬性(例如，顏色、表面正常微擾、高度場位移和體積幾何結構)映射到表面以對精細比例的表面幾何結構(稱為介孔結構，mesostructure)進行建模及其與照明相互作用的嘗試，無法考慮從物體材質中的光傳輸引起的各種外觀效應。由於在實際世界中的許多材質在某種程度上都是半透明的，這一缺陷非常重要。因此，物體的表面外觀不是真實的。
另一方面，將材質屬性映射到確實考慮半透明性的表面的進一步嘗試為關於所需的計算開銷問題所困擾。即，通過模擬穿過參與介質的輻射傳輸的半透明物體詳細節渲染在進行渲染時需要不切實際的數據存儲量或非常大的計算量。
(3)發明內容在此描述外殼紋理函數。
尤其，提供了至少用於對表面上的介孔結構陰影、遮蔽、相互反射和輪廓以及非均勻體積中的次表面散射中的任一個進行建模的技術。在此所描述的技術至少包括，獲取材質樣本的材質參數、確定材質樣本的輻照度分布值、將材質樣本合成到物體的網孔。然後，所合成的物體可以用多種渲染技術之一來渲染。
(4)


參照附圖對本發明進行詳細描述。
圖1示出用於實現使用在此所描述的紋理函數的諸示範實施例的計算機圖形技術的計算設備。
圖2A示出根據一個示範實施例可以計算其STF的材質樣本。
圖2B示出要根據在此所描述的STF相關技術的諸示範實施例進行建模和渲染的樣本物體。
圖3是用於根據在此所描述的示範實施例進行建模和渲染材質的處理流程的例子。
圖4A示出一個STF基體積模型樣本的示範實施例。
圖4B示出例示根據一個示範實施例的體積材質中的光傳輸的模型。
圖5A-5D例示根據一個示範實施例將材質外殼(次表面層)合成到物體上的透視圖。
圖6A-6B示出外殼的不同透視圖，用於例示根據一個示範實施例的外殼再採樣。
圖7例示一個示範實施例所利用的輻射估算的幾何結構。
圖8例示根據一個示範實施例的陰影邊界處輻照度修正的用法。
圖9例示個可以用於實現在此所描述的技術的通用計算機網絡環境的例子。
(5)具體實施方式
下面描述用於建模和渲染表面上的介孔結構陰影、遮蔽、相互反射和輪廓以及非均勻體積中的次表面散射的諸技術。具體地，物體表示包括體積外殼層和內核。可以通過使用體積材質樣本的紋理合成來創建外殼，其中該材質樣本具有介孔結構和材質非均勻性；此外，由於來自體積內部的材質非均勻性對外觀具有相對微弱的影響，因此可以將內核建模為均勻材質。
圖1示出具有處理組件107的計算設備105的例子，該處理組件107確定物體的材質樣本的至少一個外殼紋理函數，並在通過將材質樣本紋理合成到物體的網孔形成該物體的物體外殼之後進一步渲染該物體。
計算設備105可以是多種傳統計算設備中的任何一種，如臺式個人計算機(PC)。或者，計算設備105可以是網絡關聯設備，包括但不限於，可以通過有線和/或無線鏈路與網絡110進行通信的膝上型計算機、個人數字助理(PDA)、智慧型電話等等。參照圖9更詳細地描述客戶機設備105的一個示範數據源115和120中的任何一個是可以給計算設備105提供多種數據和/或功能中的任何一種的伺服器設備。數據源115和120可以是伺服器設備，如網絡伺服器或應用程式伺服器。網絡伺服器是通過計算網絡110將內容傳送給計算設備105的伺服器設備。這類內容可以包括以超文本標記語言(HTML)編碼的web內容，也可以包含JavaScript代碼或其他命令。應該理解，數據源115和120中的任何一個可以在作為全球資訊網(例如，其中網絡110包括網際網路)的一部分的其他網絡，以及不是全球資訊網的一部分的其他網絡，如內聯網中使用。
為使用技術107在計算設備105上有效地渲染詳細的物體模型，在此描述了一種物體外殼的紋理函數(以下稱為「STF」)。STF表示外殼體元相對於入射照明方向的輻照度分布。在此所述的外殼體元是指需要建模和/或渲染的物體外殼表面附近的三維(「3-D」)像素體積。STF允許快速確定物體材質樣本體積中的每個體元的輻射。
圖2A示出一個用於在上下文中討論STF的材質樣本200的例子。更具體地，STF用來表示所有入射照明方向上材質樣本200中諸點的輻照度分布。在計算上，材質樣本200可以根據STF基體積Vb來建模。STF基體積Vb包含規則3D網格上的nxxnyxnz體元數組，此處nxxny用於計算材質樣本200參數空間的大小，nz定義STF的厚度。n的值通常預先確定。介孔結構用STF基體積Vb來表示，因此Vb的體元可以位於次表面層205或材質樣本200周圍的自由空間207中。
具體地，對材質樣本200的每個次表面體元x，存儲下列材質特性消光係數κ(x)、反照率α(x)(它是材質樣本200表面所反射的入射輻射的一部分)以及相位函數f(x，ωl，ω)，此處ω和ωl分別是入射和出射光線方向。材質的散射係數σs與消光係數和反照率相關，σs，＝ακ，吸收係數被定義為σs＝κ-σs。消光係數κ(x)和反照率α(x)描述參與介質的輻射傳輸特性，它確定了體元的半透明性和色彩特性。指示體元表面的標誌也被包括在內，並且當該標誌為開時，曲面法線和相對摺射率通常也已經預先確定。
STF是一個5D函數，它通過指定單次散射分量Is(x，ωl)和多次散射分量Im(x，ωl)來定義，此處x表示Vb中的當前位置，ωl是入射光線方向。上述STF值、單次散射分量Is(x，ωl)和多次散射分量Im(x，ωl)允許快速計算在Vb的任意點x和任意方向ω的輻射L(x，ω)。根據參與介質中的光傳輸方程，輻射L(x，ω)被表示成(ω)L(x，ω)＝σa(x)Le(x，ω)+σs(x)Li(x，ω)-κ(x)L(x，ω)Le(x，ω)是來自物體的輻射，Li(x，ω)是內散射(in-scatter)的輻射，即，在物體體積中散射的輻射。輻射L(x，ω)可以使用已知的射線行進(raymarching)算法來計算，該算法中開銷最大的計算是內散射輻射，它可以使用以體積光子映射來計算Li(x,)=1s(x)p=1nf(x,p,)p(x,p)V]]>具體來說，輻射是對微分體積ΔV中的n個光子求和，ΔФp(x，ωp)是來自入射方向的一個光子攜帶的通量。通量ΔФp(x，ωp)被劃分為單次散射和多次散射項，因為單次散射可以通過射線跟蹤來渲染，而穿過均勻介質的多次散射可以用偶極子擴散近似來模擬。根據在此描述的諸示範實施例，由於材質樣本是非均勻的，因此不能使用偶極子近似，然而確定充分利用了多次散射可以被認為實質上是均勻的這一特性。對於均勻的多次散射，Li(x，ω)的表達式可以寫成f(x,l,)=sp(x,1)s(x)V+14mp(x,p)sV]]>∑s和∑m分別是對單次散射光子和多次散射光子的求和。只有在光子實際上被散射時，∑m中的光子才被包含在上述計算中。單次散射光子的入射方向被認為是光線方向ωl。儘管假定多次散射是無向的，但由於影響到達每個表面點的直接照明的表面介孔結構，它仍然是光線方向ωl的函數。內散射的輻射被表示成Li(x,)=f(x,l,)Is(x,1)+14Im(x,l)]]>其中Is(x,l)=sp(x,l)s(x)V,]]>Im(x,l)=mp(x,p)s(x)V]]>如前所述，STF表示對所有入射照明方向的材質樣本中諸點的輻照度分布。更具體地，單次散射輻照度Is(x，ωl)和多次散射輻照度Im(x，ωl)表示當入射光線來自方向ωl時x處的體元輻照度。因此，Is(x，ωl)和Im(x，ωl)可以被預先計算，即在渲染之前計算為STF，其中STF是易於存儲的5D函數。藉助於STF，可以快速地計算內散射的輻射L1(x，ωl)，並且上述方程(ω)L(x，ω)＝σa(x)Le(x，ω)+σs(x)Li(x，ω)-κ(x)L(x，ω)可以通過在材質樣本求積分來計算輻射L(x，ω)。
本實施例的計算中，在對相應物體作任何渲染之前預先計算並存儲5DSTF子函數。儘管其他可選的實施例可以包括對材質樣本反射場的計算，但是考慮到反射場是入射照明4D場和輻射4D場的8D函數這一事實，因此存儲開銷相當大。另一方面，通過只考慮定向光線，照度就變成2D函數，且反射場減少為6D函數，但仍然需要知道介孔結構幾何結構以準確地渲染輪廓。儘管預先計算反射場用於所記錄的介孔結構幾何結構可以減少運行時計算，但額外查看維度的附加數據(這些數據需要密集採樣)是很大量的。
另一方面，5D STF自然地與體積介孔結構結合起來，儘管並不清楚該如何將反射場和(非高度場的)介孔結構結合起來。由於具有低維紋理函數的這類實際優點，且由於來自表面體元的輻射可以非常簡單地從輻照度數據計算出來，因此在本實施例STF表示中，體元輻照度是預先計算的。對剩下的計算，其計算開銷不大，於是在運行時執行。
為根據示範實施例預先計算組成5D STF的輻照度函數，首先確定STF基體積Vb中的表面介孔結構和散射特性。通過掃描實際體積的材質特性並測量來自實際表面的介孔結構，可作出這樣的確定。通過計算和存儲所採樣光線方向上每個體元的單次散射和多次散射輻照度，從基體積構造STF，如下所述。
圖2B示出要根據在此所描述的STF相關技術的示範實施例進行建模和渲染的樣本物體210。特別地，圖2B示出包括兩個部分的物體210，這兩個部分是具有介孔結構的非均勻的外殼層215和均勻的內核220。當光線入射到物體210上時，來自物體200的內核220中的光線經過顯著的散射，使得最終的輻射呈現出物體210的材質特性的平均效應。為利用這一特性，根據一個示範實施例，內核220被建模為均勻材質，以使得可以對其快速計算輻射。相反，外殼層215上的體元處於物體表面附近，因此外殼層215材質特性的變化對物體200的外觀有相對較大的影響。
圖3提供參照圖2A中的物體200進行建模和渲染處理的縱覽300。圖3的處理考慮了表面外殼205的介孔結構和內核220的非均勻性的結合，這樣的組合會導致光線在外殼215中的複雜散射。具體地，將會在下面更詳細地描述的處理縱覽300包括方框305，它涉及獲取(例如)材質樣本210的紋理樣本參數的至少一個進程或指令；方框310，它涉及確定材質樣本210的STF的至少一個進程或指令；方框315，它涉及在物體200表面上合成紋理樣本210的至少一個進程或指令；以及方框320，它涉及至少利用所確定的STF來渲染物體200的至少一個進程或指令。
對於方框305，使用被稱為體積可視化(volume visualization)的體積建模和處理技術來生成STF基體積Vb。在此所描述的示範實施例可構想通過使用諸如計算斷層照相法(CT)等體積成像技術來測量實際材質，或通過掃描-轉換現有的3D幾何模型，來獲得Vb。
更具體地，為使用體積圖像技術測量實際材質，可以使用體元分類並然後進行查表法來確定Vb。體元分類是一種用於確定所測量體積數據的每個體元中存在哪些材質的標準過程。可使用一可選的分類技術來確定特定體積類別中的體元材質，且對每種材質，其消光係數κ和反照率α可以在出版的測量表中獲得。同一體元中的多種材質的消光係數和反照率根據它們在體元中的相對含量進行平均。位於介孔結構表面上的體元被標識為沿著最外面的等值面的那些體元。在STF基體積Vb中，使用二進位函數來指示介孔結構表面上的體元。
掃描-轉換現有的3D幾何模型包括將3D幾何模型轉換成體積數據。3D幾何模型通常包括若干分量，每種分量與一種給定的材質相關聯。當掃描-轉換一個幾何模型時，轉換算法確定每個體元中存在哪一或哪些材質。對於所測量體積數據的情況，體元消光係數κ和反照率α可以從表中確定。
通常，所出版的測量表只提供單個反照率α值，但對於諸如有脈紋的大理石等某些材質，需要空間變化反照率影射α(x)。為獲得反照率映射，使用固體紋理合成為物體內部生成體元顏色，這可以在程序性的基礎、基於樣本的基礎或基於樣本觀察的基礎上執行。程序性的方法較佳地適用於有限類型的紋理；基於樣本的方法原則上較佳地適用於任何固體紋理，儘管這種方法可能需要固體紋理樣本作為輸入；基於樣本觀察的方法較佳地只適用於一些(例如，兩種或三種)目標固體紋理的2D圖像，並因此比較容易使用。然後，通過將體元顏色看作漫反射係數，可以將體元顏色轉換成反照率α(x)。
均勻內核的散射特性可以根據偶極子擴散近似由內核表面特性確定。根據在此所描述的示範實施例，內核表面特性與外殼體元底層的表面特性即使不同，實質上也是相似的。
圖4A示出基體積模型400的一個示範實施例，以例示根據圖3的方框310通過材質樣本中的光子映射的STF構造。具體地，對諸採樣照明方向，使用基體積405的材質特性，計算基體積Vb(示出為基體積405)的每個體元x的STF輻照度值(由圖4A的箭頭圖示)。即，對採樣的照明方向ωl，可以使用用於參與介質中光子跟蹤的已知算法中的至少一種變體來計算單次散射分量Is(x，ωl)和多次散射分量Im(x，ωl)。這類算法的一個例子由Jenson和Christensen在Proceedings of SIGGRAPH 1998第311-320頁的Efficient Simulation of LightTransport in Scenes with Participating Media Using Photon Maps(參與介質場景中使用光子映射的光傳輸有效模擬)公開。根據本實施例，光子沿著光線方向ωl發出，然後，當光子從介孔結構表面反射並在物體內部散射時，評估所發出的光子對STF的貢獻。由所映射的光子，根據下列方程對x處體元的諸STF分量進行求值Is(x,l)=sp(x,l)s(x)V,]]>Im(x,l)=mp(x,p)s(x)V]]>本實施例中，選擇ΔV為半徑等於一個體元的球體。
為避免STF採樣中光子通過各邊離開基體積的邊界效應，基體積405可以由其他相同的體積405』(a)-(h)包圍，如圖4A所示。在圖4A的示範實施例中，基體積被八個其他相同的體積405′(a)-(h)包圍，但這個數量可以根據所考慮的計算能力和相應開銷而改變。在該示範實施例中，基體積405可以被渲染為一一個貼片(tile)，並具有比STF基體積散射平均自由路徑的兩倍更大的紋理尺寸nx，ny。由於基體積405可以是非均勻的，相應的散射平均自由路徑被計算為組成基體積405的材質的加權平均。對基體積405大小的這一約束保證了基體積405周圍八個相同的體積405′(a)-(h)可以為計算STF基體積中每個體元的STF提供足夠大的體積鄰域。基體積405的厚度nz被設置為大於最大介孔結構深度加上基體積405平均自由路徑均值的三倍。這樣選擇nz保證了可以忽略來自均勻內核的單次散射的貢獻。可以使用約束的固體紋理合成將大小不足的不可平鋪基體積轉換成較大的可平鋪體積。
圖4B示出一個例示基體積405中光子跟蹤的模型。根據圖4B的例子，根據用於本領域中所熟知的非偏振光的公式，光子與介孔結構表面相互作用，其中光子或者在表面反射，或者折射進入物體內部。因為在渲染階段用射線跟蹤來處理這種相互作用，所以反射離開表面點的光子不作記錄。穿過物體內部傳播的光子可以通過介質而不受影響，或者與介質相互作用。當光子在體元x處與介質相互作用時，如果光子是第一次與該介質相互作用，就將相互作用的貢獻加到單次散射分量Is(x，ωl)，例如在點410，否則就加到多次散射分量Im(x，ωl)，例如在諸點415中的任意點，其中，表面反射被認為是相互作用。光子在位置x與介質相互作用的概率由下列累積概率密度函數確定p(x)=1-e-x0xd]]>其中x0是光子折射進入物體內部的介孔結構表面點。方程中的積分用射線行進法來求值。如果光子與介質相互作用，則隨機圖形處理可以根據基於反照率α(x)的散射概率來判斷光子是否被散射或吸收。被散射的光子的方向通過對相位函數f(x，ω』，ω)進行重要性採樣來計算。
對一組離散的光線方向執行光子跟蹤，其中這些光線方向對物體的上半球和下半球進行採樣。對於每個光線方向ωl，跟蹤大量光子，並且將這些光子對STF的貢獻加到Is(x，ωl)和Im(x，ωl)。例如，一個示範實施例可以包括為每個RGB通道而跟蹤的1000個光子。於是上半球按72＝6×12個光線方向來採樣。下半球可以同樣地採樣，因此由於逆光來自均勻內核，入射光線可以被認為是無向的多次散射。基於這一特性，對下半球所有方向的多次散射STF值進行平均，並記錄為Im(x，ωb)，此處ωb表示所有逆光方向。
因此，STF需要適中的存儲量，這樣了減少相關的計算開銷。例如，具有96×96×10基體積的材質樣本可以在73個光線方向上採樣，在壓縮前需要205MB的存儲空間。對於壓縮，使用利用矢量量化(VQ)的方案，然後使用熵編碼，其中每一VQ碼字是給定體元和照明方向的單次散射和多次散射輻照度顏色的6D矢量。對STF，這種方案可以產生48∶1的壓縮比。
提供圖5A-5D以例示根據圖3的方框315的來自材質樣本STF基體積Vb(圖4A中示出為405)的材質外殼的合成。
更具體地，為形成外殼模型，基體積Vb被合成到物體的目標網孔上，使得該外殼中的每個點都被分配基體積Vb中的一紋理坐標。於是給每個外殼體元分配與其關聯的基體積體元的STF值。
圖5A示出材質樣本的nxxnyxnz基體積405的材質外殼。對這一合成，基體積Vb405可以被視為nxxny個紋理元素(texel)的2D紋理T(x1，y1)。每個紋理元素T(x，y)由nz個體元{(xi，yj，z1)，...，(xi，yj，znz)}及其材質特性的堆疊組成。使用已知算法將紋理T(x，y)合成到目標表面網孔上，例如發明人為Tong等人(以下稱為「Tong」)、共同待批的美國專利申請第10/299,623號(於2002年11月9日提交)中所提出的算法，該專利申請在此引用作為參考。
圖5B例示其中紋理元素是高維矢量的2D紋理，以例示Tong所述的用於將彩色紋理合成到表面上的技術。這一方法基於如下觀察以局部比例，給定的高維紋理樣本只包含少數的感覺上可區分的介孔結構和反射係數變化，稱為紋理基元(texton)。高維紋理函數的紋理基元通過紋理基元分析或K-平均值(K-mean)聚合步驟來確定，然後在捕捉壓縮表示中的紋理本質的2D紋理基元映射中進行編碼。將2D紋理基元映射合成到目標網格上有效地確定了高維紋理的映射。計算成本類似於彩色紋理合成的計算成本，且可以使用k-相干性(k-coherence)搜索技術來加速。
對圖5A中的基體積405，合成基於以下體元特性消光係數κ、反照率α和相位函數f(x，ω』，ω)。由於相位函數是ω『和ω的函數，因此可以假設f(x，ω』，ω)＝f(x，ω』·ω)，即，f只依賴於x和相位角ω』·ω。根據這一假設，兩個相位函數f(x，ω』·ω)和f(x』，ω』·ω)的相似性可以通過對點x和x』處的相位角進行密集採樣來測量。為進一步簡化，可以使用矩相似性關係，其中矩相似性關係允許改變介質散射特性而不會顯著地影響光線分布。藉助於此，散射係數σs(x)可以簡化為s(x)=s(x)(1-4f(x,)d).]]>當光散射被強峰值前向散射(strongly-peaked forward scatter)時，該矩相似關係是有效近似，這可能是計算機圖形學中所感興趣的大多數半透明材質的情況。藉助於上述簡化，使用簡化的消光係數κ′(x)＝σ′s(x)+σα(x)和反照率α′(x)＝σ′s(x)/κ′(x)執行材質外殼的合成。簡化散射係數只是為了紋理合成這一目的，仍用原來的散射係數來計算STF。
圖5C示出具有頂點v 515的目標網孔510的例子，在該頂點v 515上合成過程分配2D紋理坐標(xv，yv)。
圖5D示出紋理域中沿著v處的曲面法線放置在頂點v下的物體外殼中的體元(xv，yv)的堆疊。即，通過沿著每個頂點v處的曲面法線放置nz個體元{(xv，yv，z1)，...，(xv，yv，znz)}獲得材質外殼520。以這種方式表示的材質外殼是在不規則網格上的一系列密集點。為方便後面的渲染運算，在規則網格上對這些點進行再採樣。
圖6A和6B提供外殼的不同透視圖，以例示外殼再採樣。更具體地，在規則網格上生成目標表面網孔的距離場d，網格間隔d與基體積體元Vb大小相等。如圖6A所示，對規則網格上的每個採樣點x，最近點vf605在網格上，距離d是vf605和x610之間的距離。x610的紋理坐標是(tu，tv，d/d0)，其中(tu，tv)是最接近於vf605的網格頂點v615的紋理坐標。使用最近頂點的紋理坐標避免了內插計算，並提供非常接近的近似，這是因為，出於合成的目的，將網孔密集地再平鋪，使得每個體元與表面上的一個頂點對應。
材質外殼只佔有目標表面網孔附近的空間，因此即使是規則網格的多個採樣點也沒有對數據存儲要求的顯著影響。因此，通過使用分層空間數據結構，如八叉樹和k-d樹，可以獲得空間效率，八叉樹和k-d樹是在計算機圖形學領域中為人熟知的數據結構，因而在此不作描述。
圖6B示出外殼體元的二層存儲結構。更具體地，本示範實施例的實現利用了圖6B的簡單二層存儲結構。(底層)葉結點對應於規則網格的採樣點，並存儲次表面層的數據。頂層結點包含8×8×8個葉結點。通過將材質外殼不佔有的面積中的頂層結點設置為空值，獲得空間效率。
對材質外殼中具有紋理坐標(tu，tv，d/d0)的採樣點x，相應的材質特性是基體積中相應點x′＝(tu，tv，d/d0)的那些材質特性。此外，x′處的單次散射和多次散射STF值被用作x處的單次散射和多次散射STF值。即，在材質外殼合成中，每個點x具有一體積鄰域Nx′，其材質特性與基體積Vω中點x′周圍的體積鄰域Nx′的材質特性類似。對光厚介質和給定光線方向，多次散射輻照度對一個點的貢獻由該點周圍足夠大的體積鄰域的材質特性確定，相比之下，來自這一鄰域之外的區域的貢獻可以忽略不計。對單次散射，來自該鄰域之外的光子可以給體元帶來輻照度，但這樣的光子很少，以致於它們的輻照度貢獻確實可以忽略不計。
給外殼體元分配的STF值的有效性視鄰域Nx，Nx′是否足夠大到能夠包含影響x，x′的輻照度的體元而定。體元相互影響的範圍取決於材質特性。如前所述，這一範圍可以被表示為材質散射平均自由路徑的兩倍。該鄰域大小作為參數包括在紋理合成算法中，以保證使用了適當範圍的鄰域相似性。
鄰域Nx，Nx的相似性也受扭曲Nx的形狀的外殼曲率影響。在此所描述的實施例中，可以假設Nx的大小相對於網孔形狀的變化來說是小的，這使得Nx充分平坦。為概略地處理這一假設不成立的實例，STF可以潛在地被擴展為包括一個單曲率參數，而不需要不切實際的存儲量。
以下描述圖3中的方框320所示出的物體渲染。即，可以通過由基於STF的外殼和均勻內核表示物體進行射線跟蹤來有效地渲染物體。更具體地，相應的輻射計算至少包括下列步驟。首先，可以獲得進入均勻內核的照度作為外殼體元底層的輻照度，這通過將光強與底層STF值相乘來計算。然後，從進入內核的光線，可以使用偶極子近似來計算離開均勻內核的光線。其次，入射到物體的光線和離開內核的光線可以用來確定使用STF的外殼體元的輻照度。從這些輻照度值，由進入物體內部的射線行進來計算在介孔結構表面處的離開輻射。
圖7例示一個點或具有局部光線方向ω1705的方向性光源的輻射求值的幾何結構。觀察方向ω715上的表面體元x710的輻射L(x，ω)由反射離開物體表面720的輻射LR和離開物體體積的輻射LT組成L(x，ω)＝(1-Ft)LR(x，ωr)+FtLt(x，ωt)其中Ft是菲涅耳(Fresnel)透射率，是廣為人知的光學現象，ωr715是在x處跨越介孔結構曲面法線的ω鏡像方向，ωt730是相對於ω715的折射射線方向。LR(x，ωr)的值可以由傳統的射線跟蹤來求值，從而遞歸地產生射線。由於可以遞歸產生，LR(x，ωr)中包含介孔結構表面上的相互反射。
為對摺射的射線輻射LR(x，ωr)進行求值，根據下列方程，沿著進入物體內部的折射射線進行積分x0xs(x)e-xxdIb(x,t)dx,]]>其中Ib(x′，ωt)是體元x′735的輻照度，該體元對方向ωt上的輻射有貢獻。從外殼表面的局部光源亮度I0(x′l，ωt)、均勻內核的輻射Ld(x，ωl)和單次散射及多次散射STF值計算輻照度分布Ib(x′，ωt)，如下14I0(xl,l)Im(x,l)+14Ld(xd,l)Im(x,b)+f(x,l,t)I0(xl)Is(x,l)]]>這一表達式的第一項是由到達物體外殼頂部的照度I0按比例縮放的多次散射STF值。第二項說明了來自點x′d740的內核輻射Ld(x′d，ωl)的貢獻，其中點x′d740是x′735在外殼法線方向到內核上的投影。Ld(x′d，ωl)的值從偶極子計算中獲得，其對外殼體元輻照度的貢獻由逆光方向ωb的多次散射STF值Im(x′，ωb)按比例縮放。Ib(x′，ωt)的前兩項一起說明了來自物體外殼中體元的無向多次散射的貢獻。Ld(x′d，ωl)的第三項是來自外殼內的、在方向ωt上反射的單次散射的貢獻。由於光子穿越次表面層而不被散射或吸收的可忽略不計的可能性，不包括均勻內核的單次散射的貢獻。
對於個每採樣點x，Is(x，ωl)和Im(x，ωl)通過對周圍八個體元的相應單次和多次STF值進行三次線性內插來獲得。對Lt(x，ωt)求值所需的材質特性也通過三次線性內插來獲得。
提供圖8以例示，當外殼表面上的照度不是局部一致時，輻照度修正核如何將陰影/光線傳播進入次表面層內以解決光差。即，由於STF值Im(x′，ωl)和Is(x′，ωl)是用材質樣本上的一致定向照明來預先計算的，因此當照明在x′l810周圍的表面鄰域上均勻時，外殼體元輻照度分布Ib(x，ωt)的計算是有效的，其中x′805到外殼表面的投影沿外殼法線方向。與介孔結構陰影不同，外部幾何結構陰影在STF中沒有建模。對於外部幾何結構投射的陰影邊界附近的外殼體元，輻照度修正技術可以用來改善輻照度計算的準確度。
例如，當x′805在陰影邊界附近的陰影中時，可以基於x′l810附近的所有外殼表面體元都有相同的照度I0(x′l，ωl)這一假設來計算Ib(x，ωt)。對於在x′l810附近但不在陰影中的外殼表面體元x1805，由於跨越陰影邊界的照度突然改變，xl處的假設照度和真實照度之差ΔI0(xl，ωl)＝I0(xl，ωl)-I0(x′l，ωl)可能較大，輻照度Ib(x，ωt)的計算需要修正。額外的照度ΔI0(xl，ωl)可以跨越陰影邊界散射。
為計算Ib(x，ωt)的修正項，許多光子在所有方向上從x1805發出，進入物體外殼815，然後計算這些光子對體元的多次散射輻照度貢獻，如下I^m(x,xl)=14mp(x,p)s(x)V,]]>該值用與多次散射STF值Im(x，ωl)相同的方法來求值。因此由於xl而引起的對Ib(x，ωt)的修正為Im(x′，xl)ΔI0(xl，ωl)。對Ib(x，ωt)的總修正包括在x′的鄰域中但不在陰影中的每一x1的單個修正項。鄰域尺寸可以被設置為散射平均自由路徑的兩倍。對於xl在陰影邊界附近但不在陰影中的情況，同樣地計算修正項，因為當ΔI0(xl，ωl)為負時，修正也是負的。
對給定的外殼表面體元xl，Im(x′，xl)可以被稱為輻照度修核(ICK)，並可以表示為定義在體元的3D數組上的函數，該3D數組被稱為ICK的域。因為物體外殼從STF基體積Vb合成，因此ICK可以用Vb來預先計算，然後在渲染期間應用到物體外殼。由於Vb是非均勻的，為Vb的每個外殼表面體元預先計算ICK。為了減少不同ICK值的個數，可以根據外殼表面體元的ICK域中的材質特性，使用K-平均值算法聚合外殼表面體元。於是可以為每一聚類計算並存儲單個ICK。ICK域的相似性度量與用於外殼合成的鄰域相似性是相同的。
儘管輻照度修正的更高精度可以用大量ICK值獲得，然而對在此描述的示範實施例，僅通過跟蹤均勻陣列的1000個光子來計算一個ICK值。這種簡化模型通常提供合理的輻照度修正。
由以上的描述，示出用於STF建模和渲染系統的諸示範實施例至少包括下列部分一個部分用於建模STF基體積Vb、一個部分用於使用光子跟蹤從Vb生成STF樣本、一個部分將STF樣本合成到表面上、以及一個部分用於渲染最終的基於STF的模型。用戶幹預只需要對一小塊材質樣本建模。一旦獲得STF樣本，合成和渲染步驟就遵循已知的表面紋理管線實現。
圖9例示可以用於實現在此所描述的技術的通用計算機環境900。計算機環境900僅僅是計算環境的一個例子，並不暗示對計算機和網絡體系結構的使用範圍或功能的任何限制。也不應該將計算環境900解釋成對示例操作環境900中所例示的任何一個組件或組件組合具有相關的任何依賴或要求。
計算機環境900包括以計算機902的形式的通用計算設備，包括但不限於圖1中示出計算設備105。計算機902的組件可包括但不限於，一個或多個處理器或處理單元904、系統存儲器906、以及將包括處理器908在內的各種系統組件耦合到系統存儲器904的系統總線906。
系統總線908代表多種類型的總線結構中的任何一個或多種，包括存儲器總線或存儲器控制器、外圍總線、加速圖形埠以及使用各種總線體系結構中的任何一種的處理器或局部總線。作為例子，這些體系結構包括工業標準體系結構(ISA)總線、微通道體系結構(MCA)總線、增強型ISA(EISA)總線、視頻電子技術標準協會(VESA)局部總線、也被稱作Mezzanine總線的外設部件互連(PCI)總線、PCI Express總線、通用串行總線(USB)、安全數字(SD)總線或IEEE 1394(即，火線)總線。
計算機902通常包括多種計算機可讀介質。這類介質可以是能夠由計算機902訪問的任何可用介質，包括易失性和非易失性介質、可移動和不可移動的介質。
系統存儲器906包括易失性存儲器形式的計算機可讀介質，如隨機存取存儲器(RAM)910；和/或非易失性存儲器形式的計算機可讀介質，如只讀存儲器(ROM)912或閃速RAM。基本輸入/輸出系統(BIOS)914包含例如在啟動過程中幫助在計算機902內的各元件之間傳輸信息的基本例程，儲存在ROM912或閃速RAM中。RAM 910通常包含可由處理單元904即時存取的和/或目前正在操作的數據和/或程序模塊。
計算機902也可以包括其他可移動/不可移動、易失性/非易失性的計算機存儲介質。作為例子，圖9例示了從不可移動的非易失性磁介質(未示出)中讀取和向其中寫入的硬碟驅動器916、從可移動的非易失性磁碟920(例如，「軟盤」)中讀取和向其中寫入的磁碟驅動器918、以及從可移動的非易失性光碟924，如CD-ROM、DVD-ROM或其他光學介質中讀取和/或向其中寫入的光碟驅動器922。硬碟驅動器916、磁碟驅動器918和光碟驅動器922中的每一個都通過一個或多個數據介質接口925連接到系統總線908。或者，硬碟驅動器916、磁碟驅動器918和光碟驅動器922可以通過一個或多個接口(未示出)連接到系統總線908。
磁碟驅動器及其相關聯的計算機可讀介質為計算機902提供了計算機可讀指令、數據結構、程序模塊和其他數據的非易失性存儲。儘管例子例示了硬碟916、可移動磁碟920和可移動光碟924，可以理解，可以存儲計算機可訪問數據的其他類型的計算機可讀介質，諸如磁帶盒或其他磁存儲設備、快閃記憶體卡、CD-ROM、數字多功能盤(DVD)或其他光存儲、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)等等，也可以用來實現示範計算系統和環境。
任意數量的程序模塊可以存儲在硬碟916、磁碟920、光碟924、ROM 912和/或RAM 910中，包括例如作業系統926、一個或多個應用程式928、其他程序模塊930和程序數據932。此類作業系統926、一個或多個應用程式928、其他程序模塊930和程序數據932(或它們的某種組合)中的每一個都可以實現支持分布式文件系統的常駐組件的全部或部分。
用戶可以通過輸入設備，如鍵盤934和定位設備936(例如，「滑鼠」)向計算機系統902輸入命令和信息。其他輸入設備938(未具體示出)可以包括話筒、操縱杆、遊戲墊、圓盤式衛星天線、串行埠、掃描儀等等。這些和其他輸入設備通過耦合到系統總線908的輸入輸出接口940連接到處理單元904，但也可以通過其他接口和總線結構，如並行埠、遊戲埠或通用串行總線(USB)連接。
監視器942或其他類型的顯示設備也可以通過接口，如視頻適配器944連接到系統總線908上。除了監視器942之外，其他外圍輸出設備可以包括通過輸入輸出接口940連接到計算機902的各種組件，如揚聲器(未示出)和印表機946。
計算機902可以使用到一個或多個遠程計算機，如遠程計算設備948的邏輯連接在網絡化環境中操作。作為例子，遠程計算設備948可以是個人計算機、可攜式計算機、伺服器、路由器、網絡計算機、對等設備或其他普通網絡節點等。遠程計算設備948被例示為可攜式計算機，它可以包括在此相對於計算機系統902所描述的許多或所有元素和特徵。或者，計算機902也可以在非網絡化環境中工作。
計算機902和遠程計算機948之間的邏輯連接被描述為區域網(LAN)950和通用廣域網(WAN)952。這類網絡環境常見於辦公室、企業範圍內的計算機網絡、內聯網和網際網路。
當在LAN網絡環境中實現時，計算機902通過網絡接口或適配器954連接到區域網950。當在WAN網絡環境中實現時，計算機902一般包括數據機956或用來通過廣域網952建立通信的其他裝置。可以內置或外置於計算機902的數據機956可以通過輸入/輸出接口940或任何其他合適的機制連接到系統總線908。應該理解，所例示的網絡連接只是例子，可以使用在計算機902和948之間建立通信鏈路的其他方法。
在網絡化環境，如用計算環境900所例示的網絡化環境中，相對於計算機902所描述的程序模塊或其中的部分，可以存儲在遠程存儲設備內。作為例子，遠程應用程式958駐留在遠程計算機948的存儲設備上。為了進行說明，應用程式或程序和其他可執行程序組件，如作業系統，在此被例示成離散的塊，儘管可以認識到，此類程序和組件在不同的時刻駐留於計算設備902的不同存儲組件中，並由計算機的至少一個數據處理器執行。
各種組件和技術可以在諸如由一臺或多臺計算機或其他設備執行的程序模塊等計算機可執行指令的一般上下文中描述。一般地，程序模塊包括執行特定任務或實現特定抽象數據類型的例程、程序、對象、組件、數據結構等等。通常，程序模塊的功能可以根據各種實現中的需要進行組合或分布。
這些模塊和技術的一種實現可以被存儲在某一形式的計算機可讀介質上或通過其發送。計算機可讀介質可以是能夠由計算機訪問的任何可用介質。作為例子而非限制，計算機可讀介質可以包括「計算機存儲介質」和「通信介質」。
「計算機存儲介質」包括用存儲諸如計算機可讀指令、數據結構、程序模塊或其他數據等信息的任何方法或技術來實現的易失性和非易失性、可移動的和不可移動的介質。計算機存儲介質包括但不限於RAM、ROM、EEPROM、快閃記憶體或者其他存儲器技術、CD-ROM、數字多功能盤(DVD)或其他光學存儲、磁帶盒、磁帶、磁碟存儲或其他磁存儲設備、或任何其他可用於存儲所需信息並可由計算機訪問的介質。
「通信介質」通常具體化為諸如載波或其他傳輸機制中等已調製數據信號中的計算機可讀指令、數據結構、程序模塊或其他數據。通信介質也包括任何信息傳遞介質。術語「已調製數據信號」是指以在信號中編碼信息的方式來設置或改變其一個或多個特性的信號。僅作為非限制性的例子，通信介質包括有線介質，如有線網絡或直接有線連接，以及無線介質，如聲學、射頻、紅外和其他無線介質。以上任何一個的組合也應當被包括在計算機可讀介質的範圍之內。
在本說明書中已經參考「一個實施例」、「實施例」或「示範實施例」，意指本發明的至少一個實施例中包括詳細描述的特徵、結構或特性。因此，這些短語的使用可以涉及一個以上實施例。此外，所描述的特徵、結構或特性能夠以任何適當方式在一個或多個實施例中組合。
然而，相關領域中的技術人員可以認識到，本發明不需要一個或多個具體細節，或者用其他方法、資源、材質等，也可以實施。在其他實例中，廣為人知的結構、資源或操作沒有被詳細地示出或描述，僅僅是為了避免使本發明的諸方面模糊。
儘管已經例示和描述本發明的諸示範實施例，應該理解，本發明不限於上述的精確配置和資源。在不偏離本發明的精神和範圍的前提下，可以對此處公開的本發明的方法和系統的排列、操作和細節做出對那些本領域內的技術人員來說是顯而易見的各種修改、改變和變動。
權利要求
1.一種方法，包括獲取一材質樣本的材質參數；確定所述材質樣本的輻照度分布值；將所述材質樣本合成到物體網孔上；以及利用被合成到物體網孔的所述材質樣本的所確定的輻照度分布值，渲染所述物體。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，獲取材質樣本的材質參數包括使用體積可視化的體積建模和處理技術。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，獲取材質樣本的材質參數包括使用在3-D幾何模型上的計算機斷層照相法(CT)或掃描-轉換技術。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，獲取材質樣本的材質參數包括根據偶極子擴散近似確定曲面物體的散射特性。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述材質樣本包括體積材質樣本中的至少一個體元。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述材質樣本的輻照度分布值包括一單次散射輻照度值和一多次散射輻照度值。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述材質樣本的輻照度分布值是利用光子映射技術來確定的。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述材質樣本的輻照度分布值是對一個或多個照明及觀察方向上所述材質樣本中的每個體元確定的。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，將所述材質樣本合成到物體網孔上包括向所述物體網孔上的每個點分配所述材質樣本的基體積中的紋理坐標。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，渲染所述物體包括通過用基體積和均勻內核表示所述物體來進行射線跟蹤。
11.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，渲染所述物體包括獲得進入所述物體內核的照明作為輻照度，所述輻照度是通過將光強與來自物體底部的輻照度分布值相乘來計算的，使用偶極子近似來計算離開所述物體內核的光線；使用入射到所述物體的光線和離開所述物體內核的光線來確定所述物體外殼上的體元的輻照度；以及由進入所述物體內部的射線計算介孔結構表面的離開輻射。
12.一種具有可由一個或多個處理器執行的一個或多個指令的計算機可讀介質，所述一個或多個指令使得所述一個或多個處理器產生一材質樣本的基體積；計算所述材質樣本的每個體元的單次散射輻照度值和多次散射輻照度值；將所述基體積合成到目標網孔上，其中，向所述目標網孔上的每個點分配所述基體積中的一紋理坐標；以及通過在所述網孔上進行射線跟蹤來渲染所述物體。
13.如權利要求12所述的計算機可讀介質，其特徵在於，所述基體積的體元位於所述材質樣本的次表面層或周圍的自由空間中。
14.如權利要求12所述的計算機可讀介質，其特徵在於，所述單次散射輻照度值包括來自光源的輻射分量，所述多次散射輻照度值包括來自其他體元的輻射分量。
15.如權利要求12所述的計算機可讀介質，其特徵在於，所述基體積中，位置x和光源方向ω1的單次散射輻照度值Is和多次散射輻照度值Im分別計算為Is(x,l)=sp(x,l)s(x)V,Im(x,l)=mp(x,p)s(x)V]]>其中所述輻射是對微分體積ΔV中的n個光子的求和，ΔΦp(x，ωp)是來自入射方向ωp的光子所攜帶的通量。
16.如權利要求12所述的計算機可讀介質，其特徵在於，所述單次散射輻照度值和多次散射輻照度值被計算為至少所述樣本材質基體積中的位置和光源方向的函數。
17.如權利要求12所述的計算機可讀介質，其特徵在於，將所述基體積合成到目標網孔上包括，向每個網孔頂點分配一紋理坐標，並將所述基體積置於沿著所述頂點的曲面法線的網孔的表面下。
18.一種方法，包括將一材質樣本合成到物體網孔上，其中，所述材質樣本的輻照度分布值基於所獲取的參數預先確定；以及利用被合成到物體網孔上的材質樣本的所確定的輻照度分布值渲染所述物體。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述材質樣本包括體積材質樣本中的至少一個體元。
20.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述材質樣本的預先確定的輻照度分布值包括一單次散射輻照度值和一多次散射輻照度值。
21.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述材質樣本輻照度分布值是利用光子映射技術預先確定的。
22.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，對一個或多個照明和觀察方向上所述材質樣本中的每個體元，預先確定所述材質樣本輻照度分布值。
23.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，將所述材質樣本合成到物體網孔上包括，向所述物體網孔上的每個點分配所述材質樣本的基體積中的一紋理坐標。
24.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，渲染所述物體包括通過用基體積和均勻內核表示所述物體來進行射線跟蹤。
25.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，渲染所述物體包括獲得進入所述物體內核的照明作為輻照度，所述輻照度通過將光強與來自物體底部的輻照度分布值相乘來計算；使用偶極子近似計算離開所述物體內核的光線；使用入射到所述物體的光線和離開所述物體內核的光線確定所述物體外殼上的體元的輻照度；以及由進入所述物體內部的射線行進計算介孔結構表面的離開輻射。
26.一種用於建模物體的系統，包括用於獲取紋理樣本參數的裝置；用於確定所述紋理樣本的輻照度值的裝置；用於將所述紋理樣本合成到所述物體表面上的裝置；以及用於基於所合成的物體渲染所述物體的裝置。
27.如權利要求26所述的系統，其特徵在於，所述紋理樣本參數被包括在所述紋理樣本的基體積中。
28.如權利要求26所述的系統，其特徵在於，所述紋理樣本的輻照度值包括所述紋理樣本的基體積中的位置x和光源方向ω的單次散射輻照度值和多次散射輻照度值。
全文摘要
提供用於至少建模表面上的介孔結構陰影、遮蔽、相互反射和輪廓，以及非均勻體積中的次表面散射的技術。這類技術至少包括，獲取材質樣本的材質參數、確定材質樣本的輻照度分布值、將材質樣本合成到物體網孔上。然後可以用多種渲染技術的其中之一渲染所合成的物體。
文檔編號G06T15/04GK1741070SQ20051008820
公開日2006年3月1日 申請日期2005年7月22日 優先權日2004年7月23日
發明者B·郭, H·-Y·舒姆, S·S·林, X·佟, Y·陳 申請人:微軟公司