[发明专利]光子映射中的偏差控制方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图形学技术领域，具体涉及一种光子映射中的偏差控制方法，应用该方法可以绘制出具有良好光照效果的真实感图像。

背景技术

人们对于利用计算机图形学方法绘制出逼真光照效果的需求是永无止境的，模拟现实世界中复杂的光照效果是图形学研究者们一直以来需要解决的重大难题。全局光照明(Global Illumination)，又被称为整体光照明，是照片级别真实感图像得以实现的主要途径，许多算法都尝试为其提供完善有效的解决方案。光线追踪算法以及本发明主要研究的光子映射算法都是全局光照明的经典算法，相比较光线追踪，光子映射算法是近二十年不断发展起来的真实感绘制技术。目前全局光照明算法的研究目的逐渐从绘制出逼真的效果转移到交互应用的需求之上，本发明所研究的方向也同样为这一需求转移提供重要的理论依据和实践参考。

光子映射算法(Photon Mapping，简称PM)是一种基于光子图实现全局光照明的算法((Jensen H.W.:Global illumination using photon maps.In Rendering Techniques 96.Springer,1996,pp.21–30)，光子图用来计算环境引起的漫反射分量，由于光子映射相比光线追踪能够更好的模拟焦散现象和SDS现象(SDS分别代指光的传播路径中所产生的反/折射类型，S为镜面反射折射specular，D代表漫反射diffuse，S代表镜面反射/折射specular，也就是指先后顺序为镜面-漫-镜面的传播所产生的光照现象)，该算法可以得到比光线追踪更加逼真自然的图像。

然而，光子映射算法本身是一种有偏差和噪声的算法。辐射亮度估计精度严重依赖于半径非常小的估算内核以及在估算内核上的准确的光子分布以及收集。从根本上消除偏差错误，就必须在辐射亮度计算中杜绝可见偏差的产生，然而前人的所有方法包括PPM(Progressive Photon Mapping)和SPPM(Stochastic Progressive Photon Mapping)方法均不能达到这一要求(Toshiya T.,Ogaki S.,Jensen H.W.:Progressive photon mapping.ACM Trans.Graph.27,5(Dec.2008),130:1–130:8；Toshiya T.,Jensen H.W.:Stochastic progressive photon mapping.ACM Trans.Graph.28,5(Dec.2009),141:1–141:8)。噪声是辐射亮度估计产生的另一类错误现象，其产生的主要原因在于用于辐射亮度计算的光子数目过少，在经典的光子映射算法中，噪声是通过设置收集光子数目的阈值来避免的。

光子映射算法是一个有偏算法，偏差产生的原因在于辐射亮度估算本质上是计算射线与估算表面相交点x点处光子密度的过程，由于x点是抽象点不存在体积和大小，只能近似的使用x点附近区域内的平均光子密度来代替x点的光子密度，这样做必然会引入不精确的偏差。尽管间接光照计算在光子数目趋近于无穷大是可以趋近于正确的结果，但是实际上，由于发射的光子数目不可能达到无穷大，分布在辐射亮度估计区域内的光子通常是有限甚至是稀疏的，这样就造成了估算内核的半径在有限光子的条件下不能趋近于0。另外，还有其他一些可能导致出现偏差的情况：1)与相交点距离“较远”的光子有时也会用于计算相交点的辐射亮度，这一部分辐射量是不精确的；2)错误的光子收集，使得与当前相交点没有表面连接关系的光子也被收集进来用于计算相交点的辐射亮度；3)错误的光子收集，使得与当前相交点有表面连接且临近关系，但是确定无疑对相交点光照无影响的光子被收集进来用于计算其辐射亮度。以往的光子映射类方法由于存在上述可能导致偏差的情况，其根本原因是光子的收集是在三维空间kd-tree结构内进行临近光子的搜索的，而光子所附着的局部三维场景表面的几何信息是完全未知的，同时估算内核对整个圆盘范围内均有光子分布的假设在实际中也不能满足，我们称这样导致的错误辐射亮度估算结果为偏差错误。