[发明专利]一种真实感天空的实时渲染方法

说明书

技术领域

本发明与计算机图形学有关，随着流计算平台GPU技术的快速进步，为图形学的发展提供了重要的硬件平台。本发明涉及一种基于流计算平台GPU的真实感天空的实时渲染方法。 

背景技术

天空、水、云、雨、雪等自然现象的实时渲染研究一直都是计算机图形学的研究热点，同时渲染效果的真实感已逐渐成为目前研究的重要方向，其中天空由于包括多种天体以及存在着大气散射、空气污染、时间相关性等诸多影响因素而成为研究的难点之一. 

天空的渲染包括天空模型的建立和计算结果渲染两部分，而模型则又可以进一步细分为基于物理的模型和基于分析的模型。基于物理的模型主要考虑大气对光照的影响，包括吸收、折射以及Rayleigh散射和Mie散射等，由于大气效果的计算需要消耗大量计算资源，因而这类方法主要是通过简化大气特性来计算，或是通过建立独特的大气模型实现对大气的光学特性的模拟。 另一类重要的方法是通过GPU实现光照计算的加速.

    在先方法 [1] （参见Riley K, Ebert D, Kraus M, et al. Efficient rendering of atmospheric phenomena. In: Eurographics Symposium on Rendering. Norrk?ping, Sweden: Eurographics association, 2004. 375-386）采用基于物理的模型对天空进行模拟，结果比较精确，虽然采用了加速算法，在实时性方面依然不能令人满意.

    在先方法 [2] （参见O'Neil S. Accurate Atmospheric Scattering. Pharr M. GPU Gems 2. Boston: Addison-Wesley, 2005. 253-268）采用基于分析的模型，主要是通过对长期观测的结果数据进行分析，建立起天空的光照模型，因而无需进行大气特性的复杂计算，实时性较好。

发明内容

现代流计算技术为基于GPU的真实感天空实时渲染提供了良好的平台和巨大的灵活性。本发明建立一种在流处理器上实现真实感天空实时渲染的方法，解决天空由于包括多种天体以及存在着大气散射、空气污染、时间相关性等诸多影响因素而造成实时渲染困难的问题. 

    本发明的真实感天空实时渲染的方法首先采用分析模型实现天空光照的计算；在夜空渲染中，考虑月球等天体以及其它因素对天空光照影响，最后建立一种新颖的色调重现算法，在GPU平台上实现天空的实时渲染，并对来自月光、太阳的间接光照、黄道光、气辉以及少量来自于银河系的漫射光和慧星等的光照进行了模拟.

本发明的基本原理如下:

    一、本发明采用分析模型实现天空光照的计算，该模型采用公式(1)作为特征函数

                                       (1)

式中，为地平线附近的亮度梯度参数，为散射相关参数，和为角度。通过对五个参数设置不同的值，可以实现15种常规天空光照模型。依据上述模型，天空中任一观察方向上的辉度由上述的特征函数和天顶处的辉度决定，具体由公式(2)计算

                                                            (2)

式中为天顶处的辉度，采用Y表示辉度是基于CIE的标准和下面提到的xyY颜色空间.

    二、在夜空渲染中，计算月球等天体以及其它因素对天空光照影响。夜空的光照主要来自月光、太阳的间接光照、黄道光、气辉以及少量来自于银河系的漫射光和慧星等的光照。当给定月相角和距离时月球的辐照度为公式(3)

                              (3)

式中，为月球的半径，为太阳到达月球表面的辐照度，为地球到达月球表面的辐照度，常数为满月时的平均反照率，。夜空中星体的照度是由天文学中的视星等决定的，给定夜空中任一星体，其视星等由公式(4)计算

                                                (4)

式中，是星光到达地球时的辐照度，反之给定某星体的视星等，其辐照度由公式(5)计算

                                                             (5)