[发明专利]一种由光滑表面折射产生的3D虚拟场景面焦散效果的绘制方法

权利要求书

1.一种由光滑表面折射产生的3D虚拟场景面焦散效果的绘制方法，其特征在于，所需的数据结构及实现步骤如下：

所需的数据结构：本发明提供一种存储由光滑表面折射产生的3D虚拟场景中的焦散照明体的数据结构(100)，其包括光滑透明三角形面片的顶点位置P₁、顶点位置P₂、顶点位置P₃、顶点法向量N₁、顶点法向量N₂、顶点法向量N₃、折射标识F₁、折射标识F₂、折射标识F₃、折射光线方向向量R₁、折射光线方向向量R₂、折射光线方向向量R₃、相交标识T₁、相交标识T₂、相交标识T₃、交点S₁、交点S₂、交点S₃、二次折射标识G₁、二次折射标识G₂、二次折射标识G₃、二次折射光线方向向量RS₁、二次折射光线方向向量RS₂、二次折射光线方向向量RS₃等18个成员变量；

实现步骤：

本发明的方法(010)部分创建由光滑表面折射产生的3D虚拟场景(A001)中的所有焦散照明体，具体步骤如下：

步骤(S011)：将3D虚拟场景(A001)中所有面向光源的光滑透明三角形面片存入三角形面片列表1(A002)中；将3D虚拟场景(A002)中所有背向光源的光滑透明三角形面片存入三角形面片列表2(A003)中；对三角形面片列表1(A002)中的每个三角形面片(A004)，创建一个数据结构(100)类型的变量(A005)，并将变量(A005)与三角形面片(A004)相关联；

步骤(S012)：将三角形面片列表1(A002)中所有三角形面片的顶点存入顶点列表1(A006)中，并且删除重复的顶点；对顶点列表1(A006)中的每个顶点(A007)，创建一个从顶点(A007)指向光源位置的向量(A008)，如果顶点(A007)的法向量与向量(A008)的夹角大于90度，则将顶点(A007)从顶点列表1(A006)中删除；

步骤(S013)：对顶点列表1(A006)中的每个顶点(A009)，做如下计算：

(S013-1)：根据顶点(A009)的位置及法向量、光源位置、顶点(A009)对应的光滑透明三角形面片的折射率，判断从光源入射的光线在顶点(A009)位置处是否能发生折射，如果能发生折射，则计算顶点(A009)位置处的折射光线方向向量(A010)并置Flag0＝1，否则置Flag0＝0并转步骤(S014)；

(S013-2)：根据顶点(A009)的位置及折射光线方向向量(A010)创建折射光线射线(A011)，判断三角形面片列表1(A002)和三角形面片列表2(A003)中是否有三角形面片(A012)与折射光线射线(A011)相交，如果没有，则置Flag1＝0并转步骤(S014)，否则置Flag1＝1，并计算出离顶点(A009)最近的交点(A013)，将交点(A013)位置处的三角形面片(A014)与顶点(A009)相关联，再根据折射定律判断在交点(A013)位置处能否发生折射，如果发生折射则置Flag2＝1并计算折射光线方向向量(A015)，否则置Flag2＝0并转步骤(S014)；

(S013-3)：在三角形面片列表1(A002)中，找出包含顶点(A009)的所有三角形面片(A016)，计算顶点(A009)在各三角形面片(A016)的顶点序列中的编号i(i＝1，2，3)；将顶点(A009)的位置及法向量分别赋值给与各三角形面片(A016)相关联的变量(A005)的顶点位置P_i及顶点法向量N_i成员变量；将Flag0赋值给与各三角形面片(A016)相关联的变量(A005)的折射标识F_i成员变量；将折射光线方向向量(A010)赋值给与各三角形面片(A016)相关联的变量(A005)的折射光线方向向量R_i成员变量；将Flag1赋值给与各三角形面片(A016)相关联的变量(A005)的相交标识T_i成员变量；将交点(A013)赋值给与各三角形面片(A016)相关联的变量(A005)的交点S_i成员变量；将Flag2赋值给与各三角形面片(A016)相关联的变量(A005)的二次折射标识G_i成员变量；将折射光线方向向量(A015)赋值给与各三角形面片(A016)相关联的变量(A005)的二次折射光线方向向量RS_i成员变量；

步骤(S014)：对于三角形面片列表1(A002)中的每个三角形面片(A017)，做如下计算：

(S014-1)：如果与三角形面片(A017)相关联的变量(A005)的第i个折射标识F_i成员变量的值为0(i＝1，2，3)，则将三角形面片(A017)从三角形面片列表1(A002)中删除，否则转步骤(S015)；

(S014-2)：如果与三角形面片(A017)相关联的变量(A005)的第i个二次折射标识G_i成员变量的值为0(i＝1，2，3)，则将三角形面片(A017)从三角形面片列表1(A002)中删除，否则转步骤(S015)；

步骤(S015)：将三角形面片列表1(A002)中的各个三角形面片(A018)所关联的变量(A005)存入一个列表(A019)中，列表(A019)定义了由光滑表面折射产生的3D虚拟场景中的所有焦散照明体；

本发明的方法(020)部分实现待绘制场景点(B001)的焦散光照值的计算，具体步骤如下：

步骤(S021)：创建一个包含待绘制场景点(B001)的平面(B002)，且平面(B002)的法向量平行于待绘制场景点(B001)的法向量；

步骤(S022)：对于列表(A019)中的每个元素(B003)，做如下计算：

(S022-1)：如果元素(B003)的相交标识T₁、相交标识T₂、相交标识T₃等三个成员变量都为1，则转(S022-5)，否则，创建一条起始于元素(B003)的顶点位置P₁成员变量表示的顶点，方向平行于元素(B003)的折射光线方向向量R₁成员变量表示的方向的射线(B004)，创建一条起始于元素(B003)的顶点位置P₂成员变量表示的顶点，方向平行于元素(B003)的折射光线方向向量R₂成员变量表示的方向的射线(B005)，创建一条起始于元素(B003)的顶点位置P₃成员变量表示的顶点，方向平行于元素(B003)的折射光线方向向量R₃成员变量表示的方向的射线(B006)；

(S022-2)：计算射线(B004)与平面(B002)的交点(B007)；计算射线(B005)与平面(B002)的交点(B008)；计算射线(B006)与平面(B002)的交点(B009)；如果待绘制场景点(B001)处于由交点(B007)、交点(B008)和交点(B009)确定的三角形之外或者待绘制场景点(B001)不在由交点(B007)、交点(B008)和交点(B009)确定的直线段之上，则结束元素(B003)表示的焦散照明体对待绘制场景点(B001)的光照贡献计算，否则根据待绘制场景点(B001)到交点(B007)、交点(B008)和交点(B009)的距离以及元素(B003)的折射光线方向向量R₁、折射光线方向向量R₂、折射光线方向向量R₃等三个成员变量，通过插值计算出待绘制场景点(B001)处的折射光线方向向量(B010)；

(S022-3)：创建一条起始于待绘制场景点(B001)，方向平行于折射光线方向向量(B010)的反向向量的射线(B011)；计算射线(B011)与由元素(B003)的顶点位置P₁、顶点位置P₂、顶点位置P₃等三个成员变量表示的顶点构成的三角形面片(B012)的交点(B013)；创建一条起始于交点(B013)，终止于光源位置的线段(B014)；测试3D虚拟场景(A001)中是否有不透明的三角形面片(B015)与线段(B014)相交，如果无交则转(S022-4)，否则三角形面片(B012)相对于光源被部分遮挡，其产生的焦散照明体对待绘制场景点(B001)的光照贡献为0，结束元素(B003)表示的焦散照明体对待绘制场景点(B001)的光照贡献计算；

(S022-4)：如果交点(B007)、交点(B008)和交点(B009)构成一个三角形(B016)，则计算三角形(B016)在三角形面片(B012)所在平面上的投影面积(B017)，再计算投影面积(B017)与三角形面片(B012)的面积之比(B018)，将面积之比(B018)赋值给变量α；如果交点(B007)、交点(B008)和交点(B009)构成一条直线段，则将变量α设置为一个固定值；创建从交点(B013)指向光源位置的向量(B019)，对向量(B019)进行归一化计算；根据三角形面片(B012)的三个顶点位置，计算三角形面片(B012)的表面法向量(B020)；根据光源到交点(B013)的距离、向量(B019)与表面法向量(B020)的夹角以及光源的辐射亮度，计算三角形面片(B012)的照明度(B021)，将照明度(B021)乘以变量α并赋值给变量I(B022)；根据变量I(B022)的值、待绘制场景点(B001)的材质属性以及待绘制场景点(B001)的法向量与折射光线方向向量(B010)的反向向量的夹角，按照光照反射模型计算元素(B003)表示的焦散照明体对待绘制场景点(B001)的光照贡献值，并将其加到待绘制场景点(B001)的总光照值之中，结束元素(B003)表示的焦散照明体对待绘制场景点(B001)的光照贡献计算；

(S022-5)：创建一条起始于元素(B003)的交点S₁成员变量表示的交点位置，方向平行于元素(B003)的二次折射光线方向向量RS₁成员变量表示的方向的射线(B023)；创建一条起始于元素(B003)的交点S₂成员变量表示的交点位置，方向平行于元素(B003)的二次折射光线方向向量RS₂成员变量表示的方向的射线(B024)；创建一条起始于元素(B003)的交点S₃成员变量表示的交点位置，方向平行于元素(B003)的二次折射光线方向向量RS₃成员变量表示的方向的射线(B025)；计算射线(B023)与平面(B002)的交点(B026)；计算射线(B024)与平面(B002)的交点(B027)；计算射线(B025)与平面(B002)的交点(B028)；如果待绘制场景点(B001)处于由交点(B026)、交点(B027)和交点(B028)确定的三角形之外或者待绘制场景点(B001)不在由交点(B026)、交点(B027)和交点(B028)确定的直线段之上，则结束元素(B003)表示的焦散照明体对待绘制场景点(B001)的光照贡献计算，否则根据待绘制场景点(B001)到交点(B026)、交点(B027)和交点(B028)的距离以及元素(B003)的二次折射光线方向向量RS₁、二次折射光线方向向量RS₂、二次折射光线方向向量RS₃等三个成员变量，通过插值计算出待绘制场景点(B001)处的二次折射光线方向向量(B029)；

(S022-6)：创建一条起始于待绘制场景点(B001)，方向平行于二次折射光线方向向量(B029)的反向向量的射线(B030)；计算射线(B030)与由元素(B003)的交点S₁、交点S₂、交点S₃等三个成员变量表示的交点构成的三角形的交点(B031)；根据交点(B031)与元素(B003)的交点S₁、交点S₂、交点S₃等三个成员变量表示的交点的距离以及元素(B003)的折射光线方向向量R₁、折射光线方向向量R₂、折射光线方向向量R₃等三个成员变量，通过插值计算出交点(B031)处的折射光线方向向量(B032)；

(S022-7)：创建一条起始于交点(B031)，方向平行于折射光线方向向量(B032)的反向向量的射线(B033)；计算射线(B033)与由元素(B003)的顶点位置P₁、顶点位置P₂、顶点位置P₃等三个成员变量表示的顶点构成的三角形面片(B012)的交点(B034)；创建一条起始于交点(B034)，终止于光源位置的线段(B035)；测试3D虚拟场景(A001)中是否有不透明的三角形面片(B015)与线段(B035)相交，如果无交则转(S022-8)，否则三角形面片(B012)相对于光源被部分遮挡，其产生的焦散照明体对待绘制场景点(B001)的光照贡献为0，结束元素(B003)表示的焦散照明体对待绘制场景点(B001)的光照贡献计算；

(S022-8)：如果交点(B026)、交点(B027)和交点(B028)构成一个三角形(B036)，则计算三角形(B036)在由元素(B003)的交点S₁、交点S₂、交点S₃等三个成员变量表示的交点所确定的平面上的投影面积(B037)，再计算投影面积(B037)在三角形面片(B012)所在平面上的投影面积(B038)，最后计算投影面积(B038)与三角形面片(B012)的面积之比(B039)，将面积之比(B039)赋值给变量β；如果交点(B026)、交点(B027)和交点(B028)构成一条直线段，则将变量β设置为一个固定值；创建从交点(B034)指向光源位置的向量(B040)，对向量(B040)进行归一化计算；根据三角形面片(B012)的三个顶点位置，计算三角形面片(B012)的表面法向量(B020)；根据光源到交点(B034)的距离、向量(B040)与表面法向量(B020)的夹角以及光源的辐射亮度，计算三角形面片(B012)的照明度(B041)，将照明度(B041)乘以变量β并赋值给变量J(B042)；根据变量J(B042)的值、待绘制场景点(B001)的材质属性以及待绘制场景点(B001)的法向量与二次折射光线方向向量(B029)的反向向量的夹角，按照光照反射模型计算元素(B003)表示的焦散照明体对待绘制场景点(B001)的光照贡献值，并将其加到待绘制场景点(B001)的总光照值之中，结束元素(B003)表示的焦散照明体对待绘制场景点(B001)的光照贡献计算。