[发明专利]基于球面分段常数基函数的动态场景实时绘制方法

说明书

技术领域

本发明属于动态场景实时绘制方法领域，尤其是一种动态全局环 境光照下复杂动态场景下的基于球面分段常数基函数的动态场景实 时绘制方法。

背景技术

静态场景的绘制。近年来，随着真实感图形学和图形硬件的快速 发展，全局环境光照下的复杂动态场景的实时绘制变得越来越重要， 关于这方面的研究也颇为活跃。这类问题的主要难点在于如何在每个 顶点上快速计算代价昂贵的绘制积分。2001年，Sloan等人提出用于 环境光照下场景绘制的预计算辐射传输(Precomputed Radiance Transfer，PRT)框架。该框架的基本原理是：将环境光函数和光传输 函数均用某种特定的基函数的线性组合表示，这样既使得预处理数据 量可以接受，不至于会太大；同时又使得每个顶点处的绘制积分近似 为基函数系数的点积。

球面谐波基函数(Spherical Harmonics，SH)是第一种用于PRT 框架的基函数。它有好几个优点，如正交性，旋转不变性和支持快速 多次相乘。有许多使用PRT框架的研究工作都是采用SH来绘制环境 光照下的场景。然而，SH基却不能高效的近似高频的信号，使得这 些工作都只能处理低频的阴影和低频的BRDF材质。

之后，Ng等人提出使用小波(Wavelet)基来作为PRT框架中的基 函数。在他们2003年的工作中，他们使用wavelet表达环境光函数 和光传输函数，使得能够实现全频率PRT绘制的效果，然而他们的方 法却限于漫反射材质或者固定视点的高光材质。Ng等在2004年提出 了一种高效的小波三次相乘算法，使得移动视点的高光材质绘制成为 可能。然而，虽然小波基支持全频率效果，但是小波基表达却不能很 好的旋转，即使得环境光函数，BRDF材质函数和可见性函数的旋转 非常困难。例如，旋转环境光源就需要将环境光重新投影到小波基上 计算一遍。

2006年，Tsai等人提出使用球面径向基函数(Spherical Radial Basis Function，SRBF)来近似环境光源函数。SRBFs支持全频率信 号的表达，并且也易于旋转。这使得，他们的方法可以实现复杂场景 的实时全频率光影绘制。然而，SRBFs的表达并不能高效的做多次相 乘，这样使得SRBFs只能处理静态场景，很难扩展到动态场景。

动态场景的绘制：相比静态场景的绘制，动态场景的绘制难度更 高。这是因为，由于动态场景中物体的移动，使得预处理得到的光传 输函数变得不再正确，无法直接应用PRT框架实现动态场景的绘制。 2004年，Mei等人提出一种全局光照下，支持高光材质的实时动态场 景绘制方法。他们的方法是基于预处理阴影映照(Precomputed Shadow Map)的技术并假设光源位于无穷远。2005年，Zhou等人提出 阴影场(Shadow Field)框架，该框架支持环境光源和近光源的动态场 景绘制。在每个遮挡体的周围空间的采样点中，预计算该遮挡体在该 采样点的阴影信息并用某种特定的基函数存储。每个近光源的光照信 息也按类似的方式预计算和存储。如果使用SH基函数，该方法可以 实现实时的低频绘制效果；如果使用wavelet基函数，该方法可以实 现交互帧率的全频率绘制效果。由于SH的表达支持快速的旋转，所 以他们的方法在低频效果下，支持场景中物体的移动和旋转；由于 wavelet的表达不支持旋转，所以他们的方法在全频效果下，不支持 场景中物体的旋转。

以上三种基函数有各自的优缺点。SH基函数支持快速的旋转， 支持快速的多次相乘，然而却限于低频信号；Wavelet基函数支持快 速的多次相乘，支持全频率信号，然而却不支持快速的旋转；SRBF 基函数支持全频率信号，支持快速的旋转，然而却不支持快速的多次 相乘，使得其不能应用于动态场景。

发明内容

为了解决以往基于PRT框架的各种静态/动态场景的绘制算法的 缺陷，本发明提出一种支持快速旋转、快速多次相乘和支持全频率信 号的基于球面分段常数基的动态场景绘制算法。

本发明的技术方案是：基于球面分段常数基函数的动态场景实时 绘制方法，其特征在于包括下列步骤：在计算机上运用基函数进行绘 制积分的化简；区域分解；预处理；实时光影计算。

所述基函数的表达为分段常数函数，将球面定义域分成若干区 域，每个区域内，定义一个值为常数的基函数。