[发明专利]进行光线跟踪的方法和系统

说明书

技术领域

本发明的实施例一般涉及图像处理领域。

背景技术

从三维场景呈现(rendering)二维图像的过程通常被称为图像处理。随着现代计算机工业的发展，图像处理也向前发展。在图像处理的发展过程中一个特殊目的是尽可能逼真地对三维场景作出二维模拟或呈现。呈现逼真图像的一种局限性是现代监视器使用像素来显示图像。

像素是监视器上可以照亮的最小空间区域。最现代的计算机监视器将利用数十万个或数百万个像素的组合组成整个显示或呈现场景。独立的像素被安排在网格图样中，集体覆盖监视器的整个可视区。每个独立的像素可以被照亮，以呈现可供观看的最终画面。

利用像素将真实世界三维场景呈现在二维监视器上的一种技术叫做光栅化(rasterization)。光栅化是取出以向量格式(场景内的几何物体的数学表示)表示的二维图像，将图像转换成独立的像素以便显示在监视器上的过程。光栅化在迅速呈现图形和利用相对少量计算能力方面是高效的；但是，光栅化也存在一些缺陷。例如，光栅化往往缺乏真实感，因为光栅化不是基于光的物理特性，而是基于场景中的三维几何物体投影在二维平面上的形状。而且，利用光栅化呈现场景所需的计算能力随着要呈现的场景的复杂性变大而成比例地增大。随着图像处理变得更加逼真，呈现的场景也变得更加复杂。因此，由于光栅化与复杂性成比例，光栅化随着图像处理的发展而遇到麻烦。

利用像素使真实世界三维场景呈现在二维监视器上的另一种技术叫做光线跟踪。光线跟踪技术跟踪表现类似于光线的假想光线到要呈现在计算机屏幕上的三维场景的传播。光线源自坐在计算机屏幕后面的观看者的眼睛，穿过构成计算机屏幕的像素，朝三维场景而去。每条跟踪光线都通向场景，可以与场景内的物体相交。如果光线与场景内的物体相交，将物体的特性和其它几种有影响的因素用于计算光线所曝露于的颜色和光量，或颜色或光的不足。然后，将这些计算用于确定跟踪光线经过的像素的最终颜色。

对单个场景进行许多次光线跟踪处理。例如，可以针对显示器中的每个像素跟踪单条光线。一旦跟踪了足够数量的光线来确定构成计算机屏幕的二维显示的所有像素的颜色，可以在计算机屏幕上向观看者显示三维场景的二维合成。

光线跟踪通常比光栅化更具真实感地呈现真实世界的三维场景。部分原因是光线跟踪模拟光在真实世界的环境中如何行进和表现，而不是像利用光栅化所做的那样简单地将三维形状投影在二维平面上。因此，利用光线跟踪呈现的图形在监视器上更准确地描绘了我们的眼睛在真实世界中习惯看到的样子。

而且，光线跟踪也比光栅化更好地处理随着场景变得更加复杂、场景复杂性的增加。光线跟踪随场景复杂性以对数进行变化。这是由于即使场景变得更加复杂，也可以将相同数量的光线投射到场景上。因此，就计算能力的要求而言，光线跟踪不会像光栅化那样随着场景变得更加复杂而遇到麻烦。

光线跟踪的一个主要缺陷是呈现场景所需的大量计算，和由此带来的处理能力。当需要快速呈现时，这会引起一些问题。例如，当图像处理系统为了诸如在游戏控制台中的动画目的而呈现图形时。由于光线跟踪的计算要求增加了，因此难以呈现快到看起来逼真的动画(逼真的动画大约需要每秒20-24帧)。

因此，需要更有效进行光线跟踪的技术和设备。

发明内容

本发明的实施例一般性地提供了进行光线跟踪的方法和装置。

根据本发明的一个实施例，提供了一种进行光线跟踪的方法。该方法一般包含：向三维场景发出光线；利用第一处理元件，采用到定义与光线相交的有界体的节点的分支，使光线穿过具有代表三维场景内的有界体的节点的空间索引，直到到达叶节点；确定一个或多个处理线程的当前工作负荷；和将定义光线的信息和定义叶节点的信息发送到当前工作负荷适合进行光线-图元相交测试的处理线程，以确定光线是否与包含在通过叶节点定义的有界体内的图元相交。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种包含程序的计算机可读介质。该程序当被执行时，进行一般包含如下步骤的操作：向三维场景发出光线；利用第一处理元件，采用到定义与光线相交的有界体的节点的分支，使光线穿过具有代表三维场景内的有界体的节点的空间索引，直到到达叶节点；确定一个或多个处理线程的当前工作负荷；和将定义光线的信息和定义叶节点的信息发送到当前工作负荷适合进行光线-图元相交测试的处理线程，以确定光线是否与包含在通过叶节点定义的有界体内的图元相交。