[发明专利]一种基于光线跟踪的毛发渲染方法

权利要求书

1.一种基于光线跟踪的毛发渲染方法，其特征在于，该方法包括了以下步骤： 

（1）将发丝细分成带形，并对所有的带形建立包围体加速结构； 

（2）根据场景光线跟踪的信息生成光锥，遍历包围体加速结构，得到可能与圆锥相交的带形； 

（3）计算圆锥与表示发丝的带形的相交，并合成采样结果； 

（4）将毛发采样的结果与场景光线跟踪的结果进行合成，生成最终图像。 

2.根据权利要求1所述基于光线跟踪的毛发渲染方法，其特征在于，所述步骤（1）具体为：首先将所有发丝根据屏幕投影的尺寸细分成不超过3个像素长的线段，然后在每个线段端点上进行着色计算，发丝的宽度数据和着色值一起存储到每个线段端点上；接着对这一系列带有宽度的线段根据表面面积构建一个包围体加速结构：对于每个线段，以及其端点处的宽度所形成的两个隐式球体，构建一个轴对齐的包围盒，并以此包围盒作为构建包围体加速结构的基本单位。 

3.根据权利要求1所述基于光线跟踪的毛发渲染方法，其特征在于，所述步骤（2）具体为：对于一个含有n个像素而且毛发采样率为m的图像，需要n×m个圆锥，n和m均为自然数，如果m=1，每个圆锥对应一个像素，如果m>1则每个圆锥对应一个子像素；每个圆锥由焦点o、光锥方向v以及法平面上的两个向量Rx和Ry表示，Rx和Ry表示光锥与法平面相交形成的椭圆的两个轴，法平面被定义为沿光线方向前进单位距离并且与光线方向垂直的平面，本发明对于直接由视点发出的光线、在场景中折射或反射后产生的光线以及对应景深效果渲染产生的光线生成圆锥；得到需要跟踪的光锥之后，首先拿光锥与包围体加速结构进行求交；每一个光锥用两个棱锥来保守近似，两个棱锥都从光锥焦点发出，分别沿光线的正负方向；棱锥的四个面分别由法平面上与椭圆两个轴的正负方向分别垂直的四条线段，以及光锥焦点形成；之后利用分割轴定理快速判断光锥与包围体结构中的包围盒是否求交。 

4.根据权利要求1所述基于光线跟踪的毛发渲染方法，其特征在于，所述步骤（3）包括以下子步骤： 

（3.1）将带形投影到法平面上形成四边形：首先将线段的两个端点及其相应的宽度投影到光锥的法平面；投影后的端点上存储的宽度信息可以作为半径以该端点为圆心生成一个圆形，任选一条直径可以产生两个点；对于毛发末端这样没有别的线段共享的点，直接取与投影后的线段垂直的直径；而对于毛发中部有两条线段共享的点来说，取两条线段的中线来生成新的一对点；这样一来， 每个带形投影过后将会形成一个四边形；而光锥在法平面上形成的是一个由Rx和Ry决定的椭圆形；根据椭圆的两个轴Rx和Ry，可以定义一个变换T=[Rx,Ry]。通过其逆变换，可以将椭圆和四边形变换到光锥的坐标系中，椭圆变换成圆形，四边形仍然变换成四边形； 

（3.2）计算任意一个四边形与圆形相交的面积：取四边形的每条边和圆形的圆心各形成一个三角形，之后将圆形与每个三角形相交得到一个具有正负性的面积，最后所有的带符号的面积相加其结果的绝对值就是四边形与圆形相交的面积，三角形与圆形相交所得带符号的面积是由三角形与圆形相交的不同情况分别计算的，将当前考虑的四边形的边称为边AB，将三角形的另外两条边称为边AO和BO，下面总结了四类相交情况：（a）若边AB所在的直线与圆形有两个交点且均在AB之外，此时的相交面积就是三角形的面积；（b）若边AB所在直线与圆形有两个交点且只有一个交点在外，此时的相交面积是其中一个小三角形与一个扇形的和；（c）若两个交点都在AB之内，此时的面积为其中一个小三角形和两个扇形的和；（d）若边AB完全在圆形之外，此时的面积为一个扇形的面积；然后将每个带形产生的采样点合成以生成最终的采样结果；在假定光锥内的毛发的不透明度、着色以及遮挡都是不变，可将采样的结果近似为： 

该公式中，Ω是可能与光锥相交的带形的集合，Υ是光锥内所有的光线采样，Υ_j是交到带形j的光线采样，α_j是相应带形j的不透明度，φ_j是带形j的平均着色，而Ω_j是所有遮挡到带形j的带形的集合；值得注意的是，||Υ_j||/||Υ||就是带形覆盖光锥面积的比率，本发明将这个比率计入不透明度得到带形k的有效不透明度α′_k=α_k||Υ_k||/||Υ||。