[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

说明书

技术领域

本发明属于真实感3D虚拟场景绘制技术领域，涉及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。

背景技术

真实感3D虚拟场景绘制技术在数字娱乐、影视特效、建筑CAD、广告动画等领域受到人们的广泛关注。目前3D虚拟场景绘制技术虽然已经得到深入的研究，但是如何快速绘制具有高度真实感的3D虚拟场景画面仍然是一个有待进一步解决的难题。当光源发出的光线入射到光滑透明表面上时，光滑透明表面的折射过程可能对折射光线产生聚焦或者离焦作用，从而导致折射光线形成复杂的空间分布。当这些空间分布复杂的折射光线再次入射到不透明的反射表面上时，就会在反射表面上产生形状复杂的亮斑，这就是由光滑表面折射产生的面焦散。

光子映射是一种绘制面焦散效果的经典方法。标准的光子映射算法首先对大量的从光源发射的光子进行跟踪，将这些光子与场景表面的碰撞位置及其相关数据记录在光子缓存中；然后根据光子缓存中的数据计算场景的焦散图；最后利用类似阴影映射的方法把焦散图投影到场景表面上，从而绘制出面焦散效果。由于大量的光子跟踪计算存在较大的系统执行时间和存储空间开销，因此利用光子映射算法绘制面焦散效果的效率通常不高。

随着3D虚拟场景绘制技术的不断发展，影视特效、游戏、视景仿真等3D应用对绘制画面的真实感要求变得越来越高。在这些3D应用中加入由光滑表面折射产生的3D虚拟场景的面焦散效果可显著增强绘制画面的真实感。目前人们迫切需要在不明显降低绘制效率的条件下，将面焦散效果加入到3D虚拟场景的绘制之中。因此设计快速绘制由光滑表面折射产生的3D虚拟场景的面焦散效果的方法具有重要的意义。值得注意的是，在大多数3D虚拟场景中，仅绘制由一次或者二次折射产生的面焦散效果就可以获得很好的真实感。例如，对于水底场景，通常只需考虑水面对光线的一次折射即可，然而当光线透过玻璃球照射到桌面上时，则需考虑由二次折射产生的面焦散效果。换句话说，3D虚拟场景中的不封闭的透明折射面会形成一次折射产生的面焦散效果，而封闭的透明折射体则形成二次折射产生的面焦散效果。充分利用这一特点，可以设计出不需光子跟踪的算法来绘制由光滑表面折射产生的面焦散效果。

发明内容

本发明的目的在于提供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。如图1所示，本方法首先创建由光滑表面折射产生的3D虚拟场景中的所有焦散照明体，然后对每个焦散照明体，判断待绘制场景点是否处于此焦散照明体之中，如果待绘制场景点处于其中且待绘制场景点所在的焦散照明体位置不受光源遮挡影响，则计算此焦散照明体对待绘制场景点的光照贡献，并将其加到待绘制场景点的总光照值之中，否则此焦散照明体对待绘制场景点的光照贡献为0。

本发明首先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)，如图2所示，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。

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；