[发明专利]一种基于方向光辐射度的微结构表面全局光照绘制方法

权利要求书

1.一种基于方向光辐射度的微结构表面全局光照绘制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)使用面片数较少的光滑模型即低精度模型来代替面片数较多的表面带有微结构的原始模型即高精度模型，并为低精度模型面片建立方向光，方向光包含入射方向光和出射方向光，同时根据光源类型初始化场景面片的能量值；使用渐进辐射算法，基于高度图和法线图模拟微结构场景的光能传递，同时根据面片的法向贴图对出射方向光进行能量重分配；

(2)将基于面片的方向光按角度权重平滑到顶点上，同时根据物理空间位置对空间方向大致相同的方向光进行聚类；

(3)基于屏幕空间求各像素点顶点方向光的插值系数，并使用步骤(2)中聚类后的方向光采用Relief Mapping算法绘制微结构表面，同时计算微结构自阴影、自遮挡效果。

(4)在步骤(3)的绘制结果上，采用基于高度图的预计算可见性算法来绘制微结构单元内的间接光照，实现微结构单元内的间接光照的逼真绘制。

2.根据权利要求1所述的基于方向光辐射度的微结构表面全局光照绘制方法，其特征在于步骤(1)具体实现如下：

(11)用面片数较少的光滑模型代替面片数较多的带有微结构的原始模型，用以减少整个光能传输的时间，为每个场景面片求切线空间，在切线坐标系下建立球面坐标，基于球面坐标为每个面片建立一组均匀分布的入射方向光和出射方向光；

(12)根据光源初始化场景面片的辐射能量值：按照hemi-cube算法，将场景映射到hemi-cube上，根据各个像素的法线信息和高度信息单独计算光照，并将此光照添加到步骤(11)中对应的入射方向光上；

(13)使用步骤(11)和(12)中的结果，使用渐进辐射度算法模拟光能传输，取能量值最大的面片作为发射面片，根据hemi-cube算法，利用其高度图和法线图计算每个像素的光能，累加到该像素所在的面片上，同时根据此像素点的法向贴图信息，更新其所在面片位于该点法线方向半球内的出射方向光，完成对其能量进行重分配。

3.根据权利要求1所述的基于方向光辐射度的微结构表面全局光照绘制方法，其特征在于：所述步骤(2)具体实现如下：

(21)将基于面片的方向光按角度权重平滑到顶点上：在面片的最终渲染中为了实现平滑的效果，需要将基于面片的方向光平滑处理到顶点上，对于每个顶点，根据其所在的所有面片的入射方向光，根据每个面片在该顶点所占权重，将入射方向光进行累加，该权重根据面片在该顶点所占夹角的比例而确定；

(22)根据物理空间位置对空间方向大致相同的方向光进行聚类：对于步骤(21)中获得的基于顶点的入射方向光和出射方向光，对于空间位置大致相同的一组方向光，将他们看做一组，标记为离散的多条平行光，对单个三角面片进行渲染时分别取聚为一类的方向光进行渲染。

4.根据权利要求1所述的基于方向光辐射度的微结构表面全局光照绘制方法，其特征在于：所述步骤(3)具体实现如下：

(31)基于屏幕空间求各像素点顶点方向光的插值系数：计算屏幕空间中顶点对像素点的权重系数，对每个面片的三个顶点分别标记红、绿、蓝三个颜色，渲染一遍场景，获得像素对应面片三个定点的插值系数，根据插值系数，在GPU中插值计算每条入射方向光在该像素点的真正颜色值，用于后续渲染；

(32)使用步骤(2)中聚类后的方向光采用Relief Mapping算法绘制微结构表面，同时计算微结构自阴影、自遮挡效果：利用获取的顶点入射方向光，使用Relief Mapping算法，基于(31)中的插值系数，在法线图和高度图的基础上进行渲染，计算直接光照、自阴影、自遮挡效果，然后根据屏幕空间插值所得的平行光系数依次渲染当前像素点，得到初步全局光照效果。

5.根据权利要求1所述的基于方向光辐射度的微结构表面全局光照绘制方法，其特征在于：所述步骤(4)具体实现如下：

(41)基于高度图，在预计算阶段计算出各个像素间的可见性关系，对当前像素的每条平行光，累加其可见像素点当前平行光光照效果，保存到纹理中，用于微结构单元内间接光照的渲染；

(42)在步骤(41)中，取得了高度图中每个像素的每条平行光通过预计算可见性而累加到当前像素点的光照系数，根据此系数计算出间接光照值，累加到步骤(3)中的计算结果中，便可得到最终的绘制效果。