[发明专利]一种基于场景光照图的大场景非直接光照方法

摘要

一种基于场景光照图的大场景非直接光照方法，它有四大步骤步骤一、将场景在纹理空间参数化；步骤二、计算场景光照图；步骤三、根据步骤二动态烘焙的场景光照图，利用光线追踪算法计算非直接光照；步骤四、使用帧关联降低非直接光照计算量。该方法能够比较好地支持复杂场景、效果可调并且比较稳定。它在图像处理技术领域里有较好的实用价值和广阔地应用前景。

主权项

一种基于场景光照图的大场景非直接光照方法，其特征在于：它包括以下具体步骤：步骤一、将场景在纹理空间参数化；将场景在纹理空间参数化，就是反转物体空间和纹理空间；反转物体空间和纹理空间需要场景UV数据，这需要建立场景时建立相应的UV数据；面片在UV空间中占有面积越大，它的非直接光照计算的细节也越高，这需要进行额外的UV创建，但也提供了场景的非直接光照的细节控制；因此对于多个物体，令物体离相机越远，则它所占的纹理空间越少，UV数据通过下式变换：xc=2·clamp[0,1](ua·ηa,x+γa,x)-1yc=2·clamp[0,1](va·ηa,y+γa,y)-1]]>其中：(xc,yc)为裁减空间坐标，(ua,va)为UV空间坐标，(ηa,x,ηa,y)为纹理a的缩放因子，调节细节，(γa,x,γa,y)为纹理a的偏移地址；缩放因子和偏移地址由CPU端进行计算管理，这里使用距离和可见性作为调节参数，并使用遗传算法进行解空间搜索；步骤二、计算场景光照图；a)使用RSM计算一次光照一次光照图计算是使用场景参数图，利用RSM计算各个图元的直接光照，并使用类似PCF阴影算法计算，只不过由于RSM生成一次光照图时并没有使用正面消隐，需要将每个图元位置按它法线进行偏移减轻自遮挡；b)利用a)中的一次光照图，使用光线追踪算法计算二次光照多次光照图计算使用光线追踪算法完成，对每个图元进行重要性采样近似计算为：其中为光线的出射方向，为光线的入射方向，为图元中点zx,y沿方向反射的辐射度，NUM为对点zx,y的采样总数，i为对点zx,y的采样，为双向散射分布函数，为点zx,y从方向得到的入射辐射度，θi为zx,y法向量和入射方向的夹角，为采样分布，这里使用基于Phone BRDF重要性采样；C)对b)中的二次光照图进行重要性加权模糊，b)中计算量比较大的是由于场景空间的关联性及非直接光照漫反射的低变化率，将近邻图元值近似加权为本图元值，相当于增加重要性采样的采样数，这里将生成的光照图按图元间的相似性进行重要性加权模糊：其中zx,y为图元(x,y)的空间位置，i为对点zx,y横坐标方向的采样，采样范围为‑N到N，j为对点zx,y纵坐标方向的采样，采样范围为‑M到M，nx,y为图元(x,y)的单位法向量，d和r为调整参数，控制周围图元的权重变化，dot()函数表示向量的点乘，K为归一化系数：步骤三、根据步骤二动态烘焙的场景光照图，利用光线追踪算法计算非直接光照；非直接光计算使用前面动态烘焙的场景光照图和光线追踪算法完成，光线追踪使用基于BVH的无堆栈算法，由于BVH加速结构的计算速度和它的深度有关，并且为了场景的可伸缩性，因此这里使用在CPU端对物体的AABB进行3D栅格化，并将物体ID号存储于对应的3D元素里，这样相当于将一颗BVH树转化为有组织BVH森林，访问计算如下：a)计算与光线初次相交的3D元素；b)访问3D元素中存储的物体，并对其中BVH树进行计算，如相交则返回；c)使用DDA算法计算光线经过的下一个3D元素，如存在则执行b)，否则返回；步骤四、使用帧关联降低非直接光照计算量；帧关联是利用数据复用以降低计算量，通过检测上一帧和当前帧的像素之间关系确定是否重用数据；设帧k的相机变换阵为投影变换阵为屏幕空间(u,v)的深度为dk(u,v)，法线为Nk(u,v)，对于当前帧的(u,v)在前一帧位置(u′,v′)计算如下：(u′,v′,dk‑1,1)＝(0.5·ut/wt+0.5,0.5·vt/wt+0.5,dt/wt,1)(ut,vt,dt,wt)＝M·(2u‑1,2v‑1,dk,1)法线变换如下：Nk‑1＝(M‑1)T·Nk由于光线追踪计算的是非直接光照，因此如果当前后两帧的位置和法线相近则重用该非直接光照值，其中τ、υ和κ为关联阈值，处理流程如下：a)计算当前片段在前一帧中的(u′,v′)、dk‑1和Nk‑1；b)如果(u′,v′)超出[0,1]，则跳转到g)；c)如果dot(Nk‑1,Nk)＜τ，则跳转到g)；d)如果||dk‑dk‑1||＞υ，则跳转到g)；e)如果则跳转到g)；f)重用前一帧中的(u′,v′)非直接光照值，并终止；g)重新计算当前片段的非直接光照值；其中e)步中的tnk为当前帧的降分辨率图元法线与入射光线的交点到图元的距离，tnk‑1为前一帧的降分辨率图元法线与入射光线的交点到图元的距离，当e)步条件满足时表明有动态物体会影响该图元，需重新计算该图元的非直接光照。