[发明专利]基于图像映射空间的动态场景实时双面折射绘制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于图像映射空间的动态场景实时双面折射绘制方法，主要用于计算机三维场景绘制。

背景技术

折射是日常生活中较为常见的一种物理现象，如光线在水、玻璃、冰块以及钻石等材质中传播时均会发生折射。折射现象的实时真实感绘制对提升虚拟场景的沉浸感具有极其重要的意义，因而这也是三维图形实时逼真绘制领域的一个研究热点。当光线从透明物体的前表面进入后，它首先会在前表面处发生一次折射，在光线从物体后表面射出时又会发生第二次折射，因此要逼真的绘制光线穿过透明物体的折射现象必须精确计算光线在物体前、后两个表面所发生的二次折射。此外，在某些特殊的情况下，光线在透明物体内部还会发生一次或多次全反射，这也是真实感绘制算法必须考虑的问题。

较为简单的折射绘制算法是只计算光线在透明物体前表面所发生的折射(参见文献1-Lindholm，E.，Kligard，M.J.，and Moreton，H.，A user programmable vertex engine，proceedings of SIGGRAPH，ACM，Erik Lindholm，2001，PP.149-158.；文献2-Schmidt，C.M.，Simulating Refraction Using Geometric Transforms，master’s thesis ofComputer Science Department，University of Utah，2003.；文献3-Ofek，E.，andRappoport，A.，Interactive reflections on curved objects，proceedings of SIGGRAPH，1999，pp.333-342.)这类算法一般在GPU上计算出第一次折射光线的方向后，直接用这个方向访问环境图纹理，然后将取得的纹元颜色作为折射光线起点所对应的像素颜色绘制到屏幕上。这类算法毫无物理真实性可言，无法表现曲率较大的透明物体在折射其后面的物体时会发生景物上下或左右倒转的现象。由于该类算法计算量小，并且其绘制效果可以满足一些真实感要求不高的应用，因而目前这类算法还有一定的生存空间。

近期出现的基于图像映射空间的算法可以较为精确的对双面折射现象进行实时模拟。这类算法(参见文献4-Kay，D.S.，and Greenberg，D.，Transparency for computersynthesized images，proceedings of SIGGRAPH，1979，pp.158-164.；文献5-Diefenbach，P.and Badler，N.，Multi-pass pipeline rendering：Realism for dynamic environments，proceedings of the Symposium on Interactive 3D Graphics，1997，pp.59-70.；文献6-Ohbuchi，E.，A real-time refraction render for volume objects using apolygon-rendering scheme，proceedings of Computer Graphics International，2003，pp.190-195.和文献7-[7]Wyman Chris，An approximate image-space approach forinteractive refraction，ACM Transactions on Graphics，24，3，2005，pp.1050-1053.)在预计算模型前表面沿法向量反方向到模型后表面的距离的前提下，通过多遍绘制生成模型后表面的法向量浮点纹理以及前、后表面的深度浮点纹理，从而实现了透明物体基于图像映射空间的近似双面折射效果，但这类算法由于预计算而无法处理可变形模型，也无法处理全反射。后来的一些算法虽然在处理可变形物体及对周围物体折射方面以及在处理全反射方面进行了改进，但是，目前还没有一种全面的实时双面折射算法可以同时处理可变形物体、可运动刚体、多次全反射以及透明物体后表面的出射光线对周围物体的折射。