[发明专利]一种基于光线跟踪的毛发渲染方法

说明书

技术领域

本发明设计图形绘制技术领域，尤其涉及一种用于毛发渲染的光线跟踪方法。

背景技术

毛发是虚拟形象化中最重要的特性，而且绝大多数电影以及游戏中的虚拟角色中都应用了毛发。

传统的对于毛发的高质量渲染主要依赖于光线跟踪。Hou等人将发丝细分成微多边形，然后通过优化的光线跟踪进行渲染，具体可参考HOU,Q.,QIN,H.,LI,W.,GUO,B.,AND ZHOU,K.2010.Micropolygon ray tracing with defocus and motion blur.ACM Trans.Graph.29(July),64:1–64:10。Nakamaru等人将发丝作为一种特殊的几何表达直接进行光线跟踪，参见NAKAMARU,K.,AND OHNO,Y.2002.Ray tracing for curves primitive.In WSCG,311–316。无一例外的，毛发的精细结构对于采样和反走样形成了很大的难度，这些方法都需要很高的采样率才能保证无失真的高质量渲染。

光束追踪技术是对于光线跟踪技术的一种扩展，即进行跟踪的不在是一条线而是一条光束。这类技术旨在解决传统光线跟踪面临的采样不足问题。具体光束的形状可分为棱柱，圆锥和超立方体，具体构造方式可分别参考HECKBERT,P.S.,AND HANRAHAN,P.1984.Beam tracing polygonal objects.SIGGRAPHComput.Graph.18(January),119-127、AMANATIDES,J.1984.Ray tracing with cones.SIGGRAPH Comput.Graph.18(January),129-135、ARVO,J.,AND KIRK,D.1987.Fast ray tracing by ray classification.SIGGRAPH Comput.Graph.21(August),55-64。Igehy提出了一种将光束的作用范围表示为导数的方法来处理光束与场景间的互动，光线导数的定义可参考IGEHY,H.1999.Tracing ray differentials.In ACM SIGGRAPH,179-186。由于这一类方法有效地考虑了光束范围内的所有可能的光线，所以他们可以缓解传统光线跟踪采样不足的问题。然而构造光束以及考虑光束与场景物体间作用的计算复杂度往往高于只考虑单根光线。所以针对场景中不同类别的物体通常需要特定的光束跟踪方法。

Wand等人提出了一种将具有各向异性的光锥与预先滤波的点集求交的方法，并且应用了一个层次结构用于加速，具体可见WAND,M.,AND STRASSER,W.2003.Multi-resolution point-sample raytracing.In Graphics Interface,139-148。然而他们的方法并不适合毛发渲染，为了避免很细的毛发模糊在一起，其方法要求点之间的距离必须超过毛发之间的距离，这就使得点集的密度超过实际可承受的程度。Lacewell等人将该方法用于计算聚集体（如灌木丛或头发）的阴影，首先在一个体加速结构上预计算存储方向性的遮挡率，然后在运行时有效地计算软影和环境光遮挡。然而，由于该方法的光线与头发求交非常近似，其并不能用于头发的视线处理。

针对毛发的光束追踪技术主要面临两个前人未能解决的挑战。其一是光锥与发丝求交的计算复杂性。精确地计算这些求交要求高的采样率，这与降低采样率的初衷相违。第二个挑战是处理光锥内带有透明效果的可见性问题。精确计算该可见度需要大量的圆锥采样，带来高昂的透明计算代价。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光线跟踪的毛发渲染方法。本发明用于进行毛发及其镜头特效（折射、反射以及精深）的高质量渲染。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光线跟踪的毛发渲染方法，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。