[发明专利]基于多细节层次模型的面光源照射三维场景画面渲染方法

说明书

本发明公开一种基于多细节层次模型的面光源照射三维场景画面渲染方法。本方法根据正常细节层次三维场景模型计算视点光线和三维场景之间的离视点最近的交点，这可以保证渲染出的三维场景画面中的物体形状的精确性。本方法根据低细节层次三维场景模型来测试光源采样点和可视场景点之间是否存在遮挡，以实现光源可见性测试。低细节层次三维场景模型包含的几何面片数比正常细节层次三维场景模型包含的几何面片数少很多。本方法既可以保证生成的三维场景直接光照画面中的物体形状精确，又能提高画面渲染的速度。

技术领域

本发明属于三维场景画面渲染技术领域，涉及一种基于多细节层次模型的面光源照射三维场景画面渲染方法。

背景技术

三维场景画面渲染是计算机图形学中的一个重要研究课题。光线投射(RayCasting)是一种常见的用于渲染三维场景画面的技术。J.F.Hughes等撰写的由Addison-Wesley公司于2014年出版的《Computer Graphics:Principles and Practice,3rdEdition》的第15章对光线投射技术作过介绍，其可以用于渲染三维场景的直接光照效果画面。阴影是三维场景中因物体对光源发出光照的遮挡而产生的光学现象，其对观察者理解三维场景画面中的物体形状和物体之间的空间关系非常重要。三维场景的阴影形状和大小依赖于光源与从视点直接可视的场景点(称为可视场景点)之间的可见性。面光源照射下的三维场景中的阴影通常呈现边缘平滑变化特征，即阴影没有明晰的边缘。因此，在渲染面光源照射下的三维场景画面时，对光源可见性计算精度的要求无需太高。2003年的SIGGRAPH课程资料《Monte Carlo Ray Tracing》的第2章“Fundamentals of Monte CarloIntegration”和第3章“Direct Lighting via Monte Carlo Integration”分别对蒙特卡洛积分和面光源照射三维场景直接光照的蒙特卡洛估计方法作过介绍。对于每个可视场景点，为了计算面光源对该可视场景点产生的直接光照，可以先对面光源进行采样，得到一系列光源采样点，并计算这些光源采样点对可视场景点的直接光照贡献，然后按照蒙特卡洛积分估计方法，通过对各光源采样点产生的直接光照贡献进行加权求和来估计出面光源对可视场景点产生的直接光照贡献。在计算光源采样点对可视场景点的直接光照贡献时，如果光源采样点与可视场景点之间存在遮挡，则光源采样点对可视场景点的直接光照贡献为零。判断光源采样点与可视场景点之间是否存在遮挡实际上就是判断光源采样点与可视场景点之间是否直接可见，其被称为光源可见性测试。执行光源可见性测试会给三维场景画面渲染带来重要计算开销。1989年Academic Press出版的《An Introduction to RayTracing》的171～196页对分布光线跟踪(Distributed Ray Tracing)作过介绍，指出通过在光源所张的立体角内分布若干阴影光线，可以用蒙特卡洛估计方法渲染出半影效果(即阴影区到非阴影区的平滑过渡效果)；其中的阴影光线与光线投射中从视点发射的光线不同，阴影光线实际上是从可视场景点到光源采样点的线段；判断阴影光线与三维场景的几何面片是否相交，就是执行光源可见性测试；在光源所张的立体角内分布若干阴影光线，需先在面光源上产生一系列采样点，然后连接可视场景点和这些光源采样点，以构造出一系列阴影光线。