[发明专利]一种将球谐光照技术应用于面绘制的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种将球谐光照技术应用于面绘制的方法。

背景技术

球谐函数是一种与傅立叶变换类似的信号处理工具，2002年，Kautz等将其应用到了图形学体绘制的光照模拟中，并得到了良好的效果与较高的绘制速度。此外，球谐函数在图形学中的应用还包括表面重构，识别等领域。

对球谐光照理论的研究与应用多集中在光照模型建模以及求解方面，Kautz等在能量传输模型的基础上建立了一个光照模型并使用球谐函数求解，以达到高效光照计算的目的；Alexander等对生物体中的光照进行模拟，并使用球谐函数高效求解；Zhong等人为了模拟场景中的动态阴影效果，在建立相应光照模型的基础上进行求解。

由于球谐光照所考虑的光照模型是基于点的能量传输公式（Light Transport），其在预计算过程中需要对单个点元进行采样计算处理，故上述研究者都是使用基于点模型的体绘制进行最后的图像渲染。然而，体绘制绘制的光栅化阶段常常需要解决走样，点元缩放以及GPU绘制支持等问题，在某种程度上影响了绘制效率。

相反，面绘制中并不需要考虑体绘制中存在的上述问题，但是却无法直接使用球谐光照技术。

发明内容

鉴于上述不足之处，本发明的目的在于提供一种将球谐光照技术应用于面绘制的方法，其使用纹理回填的方法使球谐光照技术可以应用到面绘制中。为此，首先对面模型中的每个面片进行离散采样将其转换为点模型；然后通过球谐光照方法得到每个点的球谐系数组；根据每个面离散出来的点及其对应的球谐系数组，通过纹理回填的方法为每个面生成一组球谐系数纹理；最后使用面绘制的方法对面模型进行绘制，通过GPU渲染管线进行编程完成球谐光照模拟。

该方法主要包括三个阶段：数据准备，纹理回填以及GPU编程绘制。

数据准备阶段主要完成面模型的每个三角面片的离散采样以及球谐光照预计算工作，完成这一阶段后，离散的模型数据使用链表表示。

纹理回填阶段根据每个面片的采样点对应的球谐系数生成相应面的系数纹理，该纹理是一张正方形的纹理，其中包含了与每个三角面片相同大小的纹理区域，存放球谐系数组。

ＧＰＵ编程绘制阶段主要通过ＧＰＵ编程读出每个片元对应的球谐系数组，并进行光照计算。由于该方法得到的球谐系数组通过对系数纹理进行最近点插值得到，其流程适用于面绘制。

具体为：

（1）数据准备：对面模型中的每个三角面片进行离散采样将其转换为点模型；然后通过球谐光照方法得到每个点的球谐系数组；

数据准备包括将面模型转换为点模型即面模型采样，三角面片排序与球谐光照预计算三个部分；具体为：

①面模型采样    

生成采样点：

为了将面模型采样为一个点模型，需要对三角面片进行离散化处理，我们使用等距离采样的方法，将面模型中的每个三角面片进行采样处理；假设所需采样的三角面片三个顶点的坐标为                                                ，以及 ，则等距采样的基本思想是设置一条扫描线从三角形的一个底边开始，通过在扫描线上每次移动相同距离采样数据，然后将扫描线上移进行下轮扫描；

为了设置扫描线，必需要得到扫描线的两个端点，由于需要对三角面片内部进行采样，不能直接对为起始扫描线。为此，我们使用如下方法进行扫描线的设置与采样：

a)以点为起点，为方向向点移动个固定距离，得到点：

                       　(1-1)

b)以同样的方法，以点为起点，为方向向点移动个固定距离，得到点；

c)将作为扫描线进行等距采样，采样方法与之前类似，即以点为起点，为方向向点移动个固定距离，得到采样点，重复这一过程直到到达；

d)重新进行步骤a)，b)；如果扫描线到达三角形的顶点，则结束，保存所有采样点；否则，进行c)。

数据结构的组织：

将三角形面片的三个顶点与采样点在同一链表中进行存储；每个链表结点的数据结构包括采样点的位置，球谐系数组，纹理坐标属性，对于存放顶点的结点，其对应的属性仅为顶点的空间坐标，其它属性值为空，为区别顶点与采样点，在数据结构中加入一个bool值来区分顶点与采样点：

//采样点与顶点共同使用的数据结构

Struct sample

{  

Position; //采样点&顶点的三维空间坐标

Coef; //采样点的球谐系数组，若为顶点该项为空