[发明专利]一种由镜面反射产生的3D虚拟场景面焦散效果的绘制方法

摘要

本发明公开一种由镜面反射产生的3D虚拟场景面焦散效果的绘制方法，属于真实感3D虚拟场景绘制技术领域。当前，常用光子映射算法绘制3D虚拟场景的面焦散效果。光子映射算法要求对光源发射的大量光子进行跟踪计算，这会严重降低3D虚拟场景面焦散效果的绘制效率。本发明首先计算所有镜面反射三角形面片顶点位置处的反射光线，再根据这些反射光线确定3D虚拟场景中的所有焦散照明体；在绘制3D虚拟场景时，如果待绘制场景点处于某个焦散照明体之中，则在该场景点的光照值中加入此焦散照明体的贡献，从而实现对面焦散效果的绘制。本发明方法可以很容易地集成到光线跟踪算法框架之中，能显著地提高3D虚拟场景绘制的真实感。

主权项

一种由镜面反射产生的3D虚拟场景面焦散效果的绘制方法，其特征在于，所需的数据结构及实现步骤如下：所需的数据结构：本发明提供一种存储3D虚拟场景(A001)中的镜面反射三角形面片的顶点位置(A002)、顶点法向量(A003)以及顶点位置处的反射光线方向向量(A004)的数据结构(A005)，在本发明中称数据结构(A005)为镜面反射顶点数据结构(A006)；镜面反射顶点数据结构(A006)包括顶点位置的x坐标Px(101)、顶点位置的y坐标Py(102)、顶点位置的z坐标Pz(103)、顶点法向量的x分量nx(104)、顶点法向量的y分量ny(105)、顶点法向量的z分量nz(106)、顶点位置处的反射光线方向向量的x分量Rx(107)、顶点位置处的反射光线方向向量的y分量Ry(108)、顶点位置处的反射光线方向向量的z分量Rz(109)等9个成员变量；实现步骤：本发明的方法(010)部分创建3D虚拟场景(A001)中的镜面反射顶点列表(B001)，并计算各镜面反射顶点位置处的反射光线方向向量，具体步骤如下：步骤(S011)：将3D虚拟场景(A001)中的所有镜面反射三角形面片的顶点位置(B002)及其法向量(B003)存入镜面反射顶点列表(B001)中，其中镜面反射顶点列表(B001)的每个元素(B004)都是一个镜面反射顶点数据结构(A006)类型的变量；步骤(S012)：对镜面反射顶点列表(B001)中的每个元素(B004)，做如下计算：①计算从元素(B004)包含的顶点位置指向点光源(207)位置的向量(B005)；②对向量(B005)进行归一化运算；③将元素(B004)包含的顶点法向量(B003)与向量(B005)进行点乘运算，如果点乘运算的结果小于或等于0，则将元素(B004)从镜面反射顶点列表(B001)中删除，否则以向量(B005)与元素(B004)包含的顶点法向量(B003)的夹角为入射角，根据镜面反射定律计算元素(B004)包含的顶点位置处的反射光线方向向量(B006)，并将反射光线方向向量(B006)的x分量、y分量、z分量分别存储在元素(B004)的Rx(107)、Ry(108)、Rz(109)成员变量之中；本发明的方法(020)部分创建产生焦散照明体的三角形列表(C001)，具体步骤如下：步骤(S021)：将3D虚拟场景(A001)中的所有镜面反射三角形面片存入一个镜面反射三角形列表(C002)中；步骤(S022)：对于镜面反射三角形列表(C002)中的每个三角形面片(C003)，如果在镜面反射顶点列表(B001)中不能一一找到与三角形面片(C003)的各个顶点位置对应的元素，则将三角形面片(C003)从镜面反射三角形列表(C002)中删除；步骤(S023)：将镜面反射三角形列表(C002)赋值给三角形列表(C001)；本发明的方法(030)部分实现场景点(D001)的焦散光照值的计算，具体步骤如下：步骤(S031)：创建一个包含场景点(D001)的平面(D002)，且平面(D002)的法向量平行于场景点(D001)的法向量；步骤(S032)：对于三角形列表(C001)中的每个三角形面片(D003)，做如下计算：①在镜面反射顶点列表(B001)中找出与三角形面片(D003)包含的三个顶点位置对应的元素的索引号，并分别赋值给索引变量id1、id2和id3；②将索引变量id1对应的镜面反射顶点列表(B001)的元素赋值给变量V1，将索引变量id2对应的镜面反射顶点列表(B001)的元素赋值给变量V2，将索引变量id3对应的镜面反射顶点列表(B001)的元素赋值给变量V3；③根据变量V1包含的顶点位置的x坐标Px(101)、顶点位置的y坐标Py(102)、顶点位置的z坐标Pz(103)、顶点位置处的反射光线方向向量的x分量Rx(107)、顶点位置处的反射光线方向向量的y分量Ry(108)、顶点位置处的反射光线方向向量的z分量Rz(109)等6个成员变量，创建一条起始于变量V1包含的顶点位置，方向平行于变量V1包含的顶点位置处的反射光线方向向量的射线(D004)，并判断射线(D004)与平面(D002)是否相交，如果相交则计算出对应的交点(D005)并置Flag1＝1，否则置Flag1＝0；④根据变量V2包含的顶点位置的x坐标Px(101)、顶点位置的y坐标Py(102)、顶点位置的z坐标Pz(103)、顶点位置处的反射光线方向向量的x分量Rx(107)、顶点位置处的反射光线方向向量的y分量Ry(108)、顶点位置处的反射光线方向向量的z分量Rz(109)等6个成员变量，创建一条起始于变量V2包含的顶点位置，方向平行于变量V2包含的顶点位置处的反射光线方向向量的射线(D006)，并判断射线(D006)与平面(D002)是否相交，如果相交则计算出对应的交点(D007)并置Flag2＝1，否则置Flag2＝0；⑤根据变量V3包含的顶点位置的x坐标Px(101)、顶点位置的y坐标Py(102)、顶点位置的z坐标Pz(103)、顶点位置处的反射光线方向向量的x分量Rx(107)、顶点位置处的反射光线方向向量的y分量Ry(108)、顶点位置处的反射光线方向向量的z分量Rz(109)等6个成员变量，创建一条起始于变量V3包含的顶点位置，方向平行于变量V3包含的顶点位置处的反射光线方向向量的射线(D008)，并判断射线(D008)与平面(D002)是否相交，如果相交则计算出对应的交点(D009)并置Flag3＝1，否则置Flag3＝0；⑥如果Flag1＝1且Flag2＝1且Flag3＝1，则转⑦，否则三角形面片(D003)产生的焦散照明体对场景点(D001)的光照贡献为0，结束三角形面片(D003)产生的焦散照明体对场景点(D001)的光照贡献计算；⑦如果场景点(D001)处于由交点(D005)、交点(D007)和交点(D009)确定的三角形之内(或者确定的直线段之上)，则转⑧，否则三角形面片(D003)产生的焦散照明体对场景点(D001)的光照贡献为0，结束三角形面片(D003)产生的焦散照明体对场景点(D001)的光照贡献计算；⑧首先创建一个包含场景点(D001)的平面(D010)，且平面(D010)的法向量平行于三角形面片(D003)的法向量，然后计算射线(D004)与平面(D010)的交点(D011)，计算射线(D006)与平面(D010)的交点(D012)，计算射线(D008)与平面(D010)的交点(D013)；根据变量V1、变量V2、变量V3包含的顶点位置处的反射光线方向向量，通过插值计算出，在由交点(D011)、交点(D012)和交点(D013)确定的三角形内(或者直线段上)，场景点(D001)位置处的反射光线方向向量(D014)；⑨创建一条起始于场景点(D001)位置，方向平行于反射光线方向向量(D014)的反向向量的射线(D015)；计算射线(D015)与三角形面片(D003)的交点(D016)；创建一条起始于交点(D016)，终止于点光源(207)位置的线段(D017)；测试3D虚拟场景(A001)中是否有三角形面片(D018)与线段(D017)有交，如果无交则转⑩，否则三角形面片(D003)相对于点光源(207)被部分遮挡，其产生的焦散照明体对场景点(D001)的光照贡献为0，结束三角形面片(D003)产生的焦散照明体对场景点(D001)的光照贡献计算；⑩计算由交点(D011)、交点(D012)和交点(D013)确定的三角形的面积与三角形面片(D003)的面积之比α(D019)；创建从交点(D016)指向点光源(207)位置的向量(D020)；对向量(D020)进行归一化计算；根据三角形面片(D003)的三个顶点位置，计算三角形面片(D003)的表面法向量(D021)；根据点光源(207)到交点(D016)的距离、向量(D020)与表面法向量(D021)的夹角以及点光源(207)的辐射亮度，计算三角形面片(D003)的照明度(D022)，将照明度(D022)乘以面积之比α(D019)并赋值给变量I(D023)；根据变量I(D023)的值、场景点(D001)的材质属性以及场景点(D001)的法向量与反射光线方向向量(D014)的反向向量的夹角，按照光照反射模型计算三角形面片(D003)产生的焦散照明体对场景点(D001)的光照贡献值，并将其加到场景点(D001)的总光照值之中。