[发明专利]基于可见性平滑滤波的三维场景近似柔和阴影光线跟踪绘制方法

说明书

技术领域

本发明属于三维图形绘制技术领域，涉及一种基于可见性平滑滤波的三维场景近似柔和阴影光线跟踪绘制方法。

背景技术

光线跟踪技术已经被广泛地用于三维图形绘制领域。相比于传统的光栅化三维图形绘制技术，光线跟踪能绘制出复杂的全局光照效果，但是其计算复杂度也更高。对于点光源照射下的三维场景，以当前的硬件计算能力来说，光线跟踪的帧绘制速率基本上能满足实时交互性要求。然而，当三维场景包含较多几何面片，且需要绘制面光源照射产生的柔和阴影时，光线跟踪的帧绘制速率则难以满足实时交互性要求。点光源照射三维场景产生的阴影不存在阴影区到非阴影区的平滑过渡，被称为硬阴影，其真实感不强。在三维电脑游戏之类的应用中，既有绘制全局光照效果的要求，也要求帧绘制速率能满足实时交互性需要。如果用光线跟踪技术来绘制游戏场景，则往往只能把光源建模为点光源。实际上，如果能在把光源建模为点光源的情况下，在光线跟踪绘制的画面中加入视觉近似的柔和阴影效果，则即使绘制出的柔和阴影不是物理上完全正确的，也能增强绘制画面的视觉真实感。值得注意的是，在大多数三维场景中，间接光照产生的阴影在视觉上远没有直接光照产生的阴影明显。因此，只要针对直接光照计算视觉近似柔和阴影就可以获得具有良好阴影视觉效果的三维场景画面。本发明针对上述需求，公开一种利用可见性平滑滤波来实现点光源照射三维场景的视觉近似柔和阴影的光线跟踪绘制方法。该方法只需在常规的光线跟踪流程中增加可视场景点的光源可见性平滑滤波操作，即可绘制出视觉近似的柔和阴影。

发明内容

图1所示为一个点光源照射下的三维场景，点光源发出的光线被阴影投射几何对象104遮挡，在阴影接收几何对象105上形成阴影；可视场景点101、可视场景点102和可视场景点103为阴影接收几何对象105上的三个点；可视场景点就是三维场景的几何对象上的与视点之间无其他几何对象遮挡而直接可视的点。本方法的技术方案是：从视点发射穿过虚拟像素平面上的每个像素的中心的射线，生成M×N条相机光线A001，M为虚拟像素平面上的像素行数，N为虚拟像素平面上的像素列数；创建一个包含M行、N列元素的二维数组A002，把数组A002的每个元素都赋值为1；如果虚拟像素平面上的第i行、第j列像素对应的相机光线A003与三维场景的几何对象之间有交，则计算离视点最近的交点位置A004、交点位置A004处的光源可见性以及不考虑几何对象遮挡时的交点位置A004处的直接光照值，1≤i≤M，1≤j≤N；如果交点位置A004与点光源之间没有遮挡几何对象，则点光源对交点位置A004可见，把数组A002的第i行、第j列的元素赋值为1，否则把数组A002的第i行、第j列的元素赋值为0；按照常规的光线跟踪流程计算交点位置A004处的间接光照值；当所有相机光线A001的跟踪操作都完成后，把数组A002当作灰度图像数据，利用求空间邻域平均的方法对数组A002进行平滑滤波，并把滤波后的结果保存在二维数组A005中；虚拟像素平面上的第i行、第j列像素对应的总光照值等于虚拟像素平面上的第i行、第j列像素对应的直接光照值乘以数组A005的第i行、第j列的元素值，再加上虚拟像素平面上的第i行、第j列像素对应的间接光照值。

本方法的具体实现步骤如下：

Step001：从视点发射穿过虚拟像素平面上的每个像素的中心的射线，生成M×N条相机光线B001，M为虚拟像素平面上的像素行数，N为虚拟像素平面上的像素列数，虚拟像素平面上的像素与M×N条相机光线B001一一对应；

Step002：在计算机的内存中创建一个包含M行、N列元素的二维数组B002，把数组B002的所有元素的初始值设置为1；在计算机的内存中创建一个包含M行、N列元素的二维数组ILD；在计算机的内存中创建一个包含M行、N列元素的二维数组ILI；把数组ILD的所有元素的初始值设置为0；把数组ILI的所有元素的初始值设置为0；

Step003：对虚拟像素平面上的第i行、第j列像素对应的相机光线B003，1≤i≤M，1≤j≤N，做如下操作：

Step003-1：判断光线B003是否与三维场景的几何对象相交，如果相交，转步骤Step003-2，否则转步骤Step003-3；