[发明专利]使用点采样和预计算光传输信息进行渲染的系统和方法

说明书

渲染系统将点采样和体积采样操作进行结合来产生渲染输出。例如，为了确定3D场景内的曲面位置的颜色信息，在该曲面位置周围的体积内进行一个或多个点采样操作，并且在距离该曲面位置更远处进行体积光传输数据的一个或多个采样操作。可以在点采样与体积采样之间提供过渡区，在其中进行点采样操作和体积采样操作两者。可以在确定该曲面位置的颜色信息中混合从点采样与体积采样操作获得的数据。例如，为了对另一曲面与光线之间的有待着色的相交进行标识，通过针对每个点样本对该光线进行追踪来获得多个点样本，并且从嵌套的3D体积元素栅格获得多个体积样本，这些栅格表达了不同粒度等级下的光传输数据。

技术领域

以下涉及来自虚拟3D场景的渲染。

背景技术

使用光线追踪对来自3D场景的图像进行渲染是基于对渲染方程进行求值，渲染方程包括对不同光行为进行建模的多个嵌套积分，并且难于对其进行分析求解。因此，可以使用对这些方程进行求值的非分析方法。一套逼近渲染方程的成功方法是使用采样技术。在多个可以随机地确定的离散值下对积分进行求值以从样本得出积分的概率性估值。

发明内容

在一个方面中，混合渲染系统使用光线追踪和体积地散布在3D空间内的光传输数据的采样。例如，一种用于在来自虚拟3D场景的渲染中使用的方法包括在一个方向上从3D场景的一个点直到过渡区的最大距离对光线进行追踪。如果针对该光线，没有在比过渡区的最小距离更近的距离处检测到相交，则该方法使圆锥截面沿着光线的方向前进穿过3D场景中的3D体积元素栅格。每个体积元素与表示传播通过该体积元素的曲面的光能量的数据相关联。基于扩展因数和3D场景中的点到当前采样点的距离确定前进的圆锥截面的面积。在前进过程中从与圆锥截面相交的体积元素收集光能量数据，并且针对3D场景中的该点自从体积元素收集的光能量中产生光照信息。在一些方面中，多种方法可以让用于每条发射光线的圆锥体(其对圆锥截面进行定义)前进。每个圆锥体可以沿着对应光线的方向轴向地定中心。圆锥体可以在距离光线原点最小距离处开始前进，并且可以根据光线的特征确定该最小距离。

在圆锥体前进过程中访问对光能量传播进行描述的数据。这种数据可以表达与从对应体积元素传播的光能量相关联的方向和强度数据。这种光能量可以包括源自体积元素的光和传播通过该体积元素的光(并且可以根据这种体积元素内包含的对象的特征对光进行修改)。例如，每个3D栅格元素可以是一个立方体，并且该立方体的每个面可以具有光方向以及与光方向相关联的强度数据。给定栅格的每个立方体包含一个体积，该体积包含在一个或多个更大的栅格元素(最大元素除外)内。更细粒度的元素展示3D场景中的更小的体积并且更精确地展示光方向和颜色强度数据，因为较粗粒度的元素包括多个更细粒度元素的方向和颜色强度数据的混合。可以通过对来自每个光源的一条或多条光线进行正向追踪并根据正向追踪的结果将离散的光能量记录存放在3D场景中来产生光传输数据。例如，正向追踪可以对3D场景中的几何体之间与正向追踪光线之间的相交进行检测，并且其可以引起存放具有根据该曲面的特征确定的特征的光能量记录。在将这些光能量记录存放在该场景内之后，可以根据将表达该数据所用的一种或多种特定格式来处理这些记录。这些光能量记录还可以用于多种目的，包括提供光子地图供光子查询中使用。

另一方面涉及一种用于为3D渲染提供全局光照数据。该系统包括光能量记录的集合，其中每条记录在3D场景中具有一个位置并且包括与3D场景的一部分中的光能量传输相关的数据。该系统包括一个可操作用于接收对3D场景的子部分进行定义的查询的查询解析器，光能量传输数据将返往该子部分。该查询解析器可操作用于搜索光能量记录集合以对该3D场景的子部分内的记录进行标识和将抽象过程应用于所标识的记录上以便为查询产生抽象结果，并返回该抽象结果。例如，可以将该抽象结果返回至在处理器上执行的着色程序模块。该着色程序模块可能已经发出该查询。可以通过固定或有限功能电路实现该查询解析器，该电路被耦合耦合成用于在着色过程执行的过程中从执行机器代码的处理器接收对解决方案的查询，该机器代码使用来自这些查询的结果。