[发明专利]一种基于BRDF的次表面散射的实时绘制方法

说明书

技术领域

本发明涉及次表面散射的实时绘制，尤其是与双向表面散射反射分布函数(Bidirectional Surface Scattering Reflectance Distribution Function，BSSRDF)有关的绘制方法。

背景技术

次表面散射现象是半透明物体所特有的一种复杂的光学现象，由于在物理模拟中，半透明标材质与光线的实际交互作用尤其复杂，还没有做到真正的模拟。现阶段人们提出一些化简模型来模拟这一复杂的光学现象。目前人们主要采用预计算(PRT)或只在物理空间近似模拟多次散射的方法来进行次表面散射的绘制，但无论是预计算还是物理空间中的近似模拟都会带来大量的计算量，严重制约了算法的绘制效率。

目前对半透明物体的次表面散射绘制方法大致可以分为以下三类。

1)基于物理模拟的次表面散射绘制方法

半透明物体的次表面散射最初是由Ishmaru于1978年根据光线与物体的交互作用提出的。但由于该方法仅仅描述了入射和出射半透明物体光线间的关系，并不直接对应于描述半透明效果的物理量，对于半透明物体的绘制都需要通过复杂的计算来模拟光线在特定散射度和吸收系数介质中的传输，而且绘制效率较为低下。

Jensen等提出了偶极光源(Dipole)(如附图2所示)近似的方法将BSSRDF中光照模型分解为单次次表面散射和多次次表面散射，并在多次次表面散射中首先使用了偶极光源的方法进行了近似，使绘制速度得到很大的提高。为了提高算法的绘制速度Jensen随后又提出一种两篇分级绘制方法。算法通过对半透明物体内部散射的两次划分估计，把物体表面光照计算和内部散射部分进行分离，来提高算法的绘制效率。第一遍用于计算半透明物体表面特定点的光照强度，第二遍则通过快速分级积分的方式获得物体多次次表面散射的近似估计。但由于当时条件的局限，算法仍然在CPU上执行，没有充分的运用硬件资源进行加速。

2)基于PRT方法的次表面散射绘制方法

Hao提出了一种基于球面谐波的实时绘制方法。该方法是对Jensen方法的进一步改进，算法依然采用两遍分级的方法进行绘制。在预计算环节算法利用球面谐波的球面径向基函数间积分易于计算的性质对预计算积分进行压缩再存储。

Wang于2005提出了一种基于预计算辐射传输全频光线算法。算法通过对单次次表面散射进行预计算和对相位角函数进行相似估计，很大程度的提高了最终的绘制效率。Wang又提出了一种基于预计算的半透明物体实时绘制方法。算法通过主元分析将偶极光源近似模型中的漫散射(多次次表面散射)材质进行分解，并对预计算数据p在空域上进行二次小波压缩，在保证绘制质量的前提下，大大压缩了数据，提升了绘制效率。

3)次表面散射的近似实时绘制方法

这一类算法的主要目标在于半透明物体的实时绘制上，Green对光照模型进行了改进，使背对着光源的物体表面也能够得到一定的光照值，代表着从半透明物体内部透过的光照，可以增加真实感效果。但这种方法在一定程度上只能模拟低频光线的交互散射现象，未能实现全频光照。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：以BSSRDF的经典理论模型Jensen模型为基础，对单次次表面散射模型进行基于双向反射分布函数BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF)的近似逼近，对多次散射的部分参数进行调节，同时引入延迟着色的思想，在保证图像的真实感的前提下，完成半透明物体次表面散射的实时绘制。

本发明采用的技术方案为：

(1)单次次表面散射基于双向反射分布函数BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)的逼近与多次次表面散射参数的调整。

因为影响次表面散射最终效果的主要因素是多次散射，因此可以通过简化积分操作，来得到单次散射的光照计算。为了实现出射光线是由不同光线的贡献在不同的入射点计算得到的，我们采用的采样技术对中心点周围的点进行重点采样，然后按照距离中心点的距离设置不同的配重系数进行累加计算。根据光路可逆的原理，单入射光的BRDF反射可以转化为对入射光进行多方采样，计算出单一反射光线。

通过对单次次表面散射和BRDF的光照计算作比化简，得到最后的公式：