CN102402795A - 估计均匀介质中光散射的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于估计由均匀参与介质(10)散射的光量的方法，该光由环境照明设备(3)发出。为了在最小化必需计算次数的同时改进呈现，该方法包括以下步骤：估计同一球函数的标准正交基中的第一组投影系数和第二组投影系数，所述第一组表示由所述介质(10)接收的入射亮度函数并且所述第二组表示所述介质(10)的相位函数；从所述第一组投影系数和第二组投影系数沿着至少一个光散射方向估计由所述介质(10)散射的光量。

Description

估计均匀介质中光散射的方法

技术领域

本发明涉及合成计算机生成的画面的领域，尤其涉及均匀参与介质中的光散射仿真领域。本发明还落入实时合成的特殊效果的范围内。

背景技术

根据现有技术，存在用以仿真参与介质(诸如，例如水、雾、烟、尘土或云)中光散射的不同方法。参与介质对应由与光相互作用来修改其路径并且特别是强度的空中(airborn)颗粒组成的介质。

参与介质可以分成为两部分，即诸如水的均匀介质以及诸如烟或云的不均匀介质。在均匀参与介质的情形中，能够以解析的方式计算光源发射的光的衰减。当然，作为它们均匀性质的结果，这些介质在介质的任何点提供恒定值的诸如光吸收系数或光散射系数的参数。相反，在不均匀参与介质中光吸收和散射特性从一个点到另一个点地变化。

为了进行均匀参与介质的实时呈现，某些方法实现表示均匀参与介质的某些参数的预计算。而这些方法理想地适合用于例如后期制作工作室并且给出优良质量的呈现，这些方法不适合在均匀参与介质的交互设计和实时高质量呈现合成的背景中。例如在Microsoft公司提交的并且在2008年12月31日公布的专利申请WO 2009/003143中描述这样的方法。WO 2009/003143申请的发明主题的目的是一种用于呈现参与介质的实时软件并且描述了使用径向基函数的解决方案。然而，由于对于参与介质而言某些预处理操作必须离线应用，以便能够计算表示将用于画面合成实时计算的介质的投影系数，所以该解决方案不能被视为实时呈现解决方案。

随着特别是三维(3D)的游戏和交互仿真应用的显现，出现对于提供均匀参与介质的高质量和真实呈现的实时仿真方法的需要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的这些缺点中的至少一个。

更具体地，本发明的目的是最优化组成均匀参与介质中光散射的实时真实呈现所必需的计算次数和/或计算能力(power)。

本发明涉及一种用于估计由均匀参与介质散射的光量的方法，该光由环境照明设备发出，所述方法包括以下步骤：

-估计球函数的标准正交基中的第一组投影系数，第一组投影系数表示由参与介质接收的入射亮度函数；

-估计球函数的标准正交基中的第二组投影系数，第二组投影系数表示参与介质的相位函数，

-从所述第一组投影系数和第二组投影系数沿着至少一个光散射方向解析地估计由参与介质散射的光量。

有利地，解析估计光散射量包括直接计算表示光在均匀参与介质中沿着至少一个方向的光扩散的积分。

根据一个特定特性，通过将表示环境照明设备的环境映射投影到球函数的标准正交基来进行第一组投影系数的估计。

有利地，球函数是球谐型。

根据一个特定特性，环境照明设备包括多个光源，该多个光源在参与介质的光学无穷远处。

根据一个特定特性，第一组投影系数和第二组投影系数存储在与至少一个图形处理器相关联的存储器的至少一个表中。

附图说明

阅读以下描述将更好地理解本发明并且将显现其它特征和优点，描述参考所附附图，其中：

-图1示意性例示根据本发明的具体实施例的扩散光的均匀参与介质，

-图2A和2B例示根据本发明的具体实施例的包括若干光源的环境照明设备，

-图3例示根据本发明的具体实施例的用于估计由图2A和2B的环境照明设备照亮的图1的介质所散射的光量的方法，

-图4例示根据本发明的具体实施方式的实施用于估计散射光的量的装置，

-图5和图6例示根据本发明的两个具体实施例的用于估计散射光的量的方法。

具体实施方式

图1例示浸在(bathing)例如雾、烟或尘土的均匀参与介质10中的虚拟环境或虚拟场景。参与介质是由吸收、发出和/或散射(扩散)光的多个空中颗粒组成的介质。在其最简单形式中，参与介质仅仅吸收光(例如从诸如例如太阳之类的光源11接收的光)。这意味着通过介质10的光被衰减，该衰减取决于介质密度。介质10是均匀的，即诸如例如构成该介质的颗粒的密度之类的介质的物理特性在介质中的一个点到另一个点恒定。由于参与介质是由与光相互作用的小的颗粒组成，所以入射光(即沿着方向ω_in 110从光源11接收的光)不仅被吸收而且被散射。在具有各向同性散射的参与介质中，光在所有方向中被均匀地散射。在具有各向异性散射的参与介质中，诸如图1例示的介质10，光的散射取决于光的入射方向ω_in 110和散射方向ω_out 120之间的角度，散射方向ω_out 120还与观察者观看介质10的观察方向对应。通过以下公式计算在散射方向ω_out 120上在介质10的点M 13处散射的光量：

Q(M，ω_out)＝σ_s(M)·p(M，ω_out，ω_in)·L_ri(M，ω_in)            公式1

介质的点13散射的光量到达位于方向ω_out 120上的空间点C的观察者12的眼睛，即由点M散射并且由路径M-P上的介质10衰减的光量，点P位于介质10和沿观看者12方向的方向ω_out 120的交叉点处，那么：

$L_p(M,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})=Q(M,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})\·{\exp }^{{\∫}_P^M-{\mathrm{\σ}}_t\mathrm{ds}}$ 公式2

其中：

·σ_s是介质的散射系数，

·σ_a是介质的吸收系数，

·σ_t＝σ_s+σ_a是介质的消光系数，

·p(M，ω_out，ω_in)是描述来自入射方向ω_in的光在点M处是如何在散射方向ω_out上被散射的相位函数，

·L_ri(M，ω_in)是来自入射方向ω_in 110的在点M上的减小的照射强度，并且表示在通过介质10的光路经散射之后到达点M的入射光的量，

·

表示因沿着从P 15到M 13的路径吸收和散射引起的散射亮度衰减。

公式2使得能够计算点M所散射的并且到达位于方向ω_out的观察者12的眼睛的光量。为了计算在方向ω_out观看的观察者接收到的光量，那么必须合计介质的位于轴ω_out上的所有点(即位于线段P-M_max上的点)的贡献，P和M_max作为介质10和方向ω_out 120之间相交的两个点。那么由于简单散射引起的从方向ω_out 120到达P 15的该总散射亮度是：

$L(P,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})={\∫}_P^{M_{\max }}{L}_p(M,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})\mathrm{dM}$ 公式3

在此假设由于光在介质10之外不衰减，覆盖C-P路径的光不衰减。

通过积分位于ω_out作为方向的半径上的P和M_max之间的所有点的贡献来获得总的散射亮度。

有利地，为了清楚，均匀参与介质10是以图1的两维表示的三维元素。

根据一个变型，浸在介质10中的虚拟环境包括未在图1中表示的一个或多个虚拟对象，其根据本领域技术人员已知的任何方法被建模，例如通过多边形建模，其中，该模型被比作多边形集合，每一个多边形由组成其的顶点和边的列表限定；通过NURBS(非均匀有理基本样条)类型的曲线建模，其中，该模型由为了控制顶点而创建的曲线集合来限定；通过曲面分割建模等。将“虚拟对象”理解为意味着组成真实环境(例如，地面、房屋或房屋的前面、汽车、树等，即组成诸如房屋的房间、街道、城镇、乡村等之类的环境的任何元素)的对象(真实或假想的)的(通过建模获得的)任何虚拟表示。在虚拟对象在介质10中在观察者的观察方向ω_out上的情形中，点M_max与方向ω_out和虚拟对象之间相交的点对应。

根据一个变型，通过例如100、1000、100000或1000000个光源的多个光源来照亮介质10。

根据另一个变型，通过连续环境照明设备，即包括无穷数量的光源来照亮介质10。

图2A和图2B例示包括若干光源23、24和25的环境照明设备2。在图2A和2B上，相同的参考标记用于相同的元素。图2A更具体地例示由三个光源23、24和25照亮的两个点A21和B22。点A 21通过第一光源23沿着方向ω_1A 211、通过第二光源24沿着方向ω_2A 212以及通过第三光源25沿着方向ω_3A 213来照明。点B 22通过第一光源23沿着方向ω_1B 221、通过第二光源24沿着方向ω_2B 222以及通过第三光源25沿着方向ω_3B 223来照明。由于具有若干光源，这样的复杂环境照明设备造成的问题是：在计算对于介质中入射光的估计方面是很昂贵的，因为源和介质的点之间的光方向对于介质的每个点是不同的。实际上，第一源23发射的光采取的方向对于A和B是不同的，第二源24发射的光采取的方向对于A和B是不同的，并且第三源25发射的光采取的方向对于A和B是不同的。为了解决该问题，根据诸如图2B所例示的本发明的具体实施例的环境映射方法来进行来自若干远程光源的光的估计。不是考虑一侧的点A和B与另一侧的光源23、24、25之间的光的准确方向(诸如图2A中所例示)，已知为环境映射的方法考虑环境2的所有光源23、24和25相对于点A和B位于光学无穷远处。以该方式能够考虑光源23、24或25发射的光所采取的方向相同，而与所考虑的介质的点A和B无关。以该方式忽略由于点A和B分离的距离产生的平行效应。连接点A与第一光源23的方向ω_1A 211被视为与连接点B与第一光源23的方向ω_1B 221相同。以同一方式，连接点A与第二光源24的方向ω_2A 212被视为与连接点B与第二光源24的方向ω_2B 222相同并且连接点A与第三光源25的方向ω_3A 213被视为与连接点B与第三光源23的方向ω_3B 223相同。

根据一个变型，环境照明设备包括两个或大于三个光源，例如1,000、100,000或1,000,000个光源。

图3例示根据本发明的具体实施例的估计介质10散射的光量的方法，光来自包括多个光源31、32和33的环境照明设备3。为了以解析的方式求解介质10沿着散射方向ω_out 120的简单光散射公式(对应公式3)，进行以下假设：

-多次互反射和多次散射生成“软”照明(即，低频率的照明)：与介质10的任一点的位置无关地使用同一环境映射来表示介质10的该点的入射光；换言之，由介质10的环境映射描述的入射亮度函数不依赖于所估计的介质10的点。入射亮度函数仅依赖于所考虑的入射方向ω_in。此外，因为利用虚拟环境的对象的直接照明生成光轴(light shaft)，所以没有光轴形成，以及

-参与介质是均匀的，这是例如在雾、空中尘土类型或在水中的环境中的情形；在介质的任一点密度恒定并且介质的光学属性(例如，介质散射和吸收系数)在介质的任一点恒定。

由于已经关于图1描述这一点，由介质10在M 13散射的光是由介质10接收的光源11的光的衰减和介质10接收的该衰减光的量的散射的合成。从单个光源的介质10的简单散射公式3出发并且发展该公式，得到以下公式4：

$L(P,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})={\∫}_P^{M_{\max }}{\mathrm{\σ}}_s\left(M\right)\·p(M,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}},{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}})\·L_{\mathrm{ri}}(M,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}})\·{\exp }^{{\∫}_P^M-{\mathrm{\σ}}_t\left(s\right)\mathrm{ds}}\mathrm{dM}$ 公式4

由于光来自环境照明设备3的每个方向ω_in，得到以下公式5：

$L(P,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})={\∫}_P^{M_{\max }}{\mathrm{\σ}}_s\left(M\right)\·{\∫}_{\mathrm{\Ω}}p(M,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}},{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}})\·L_{\mathrm{ri}}(M,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}})d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\·{\exp }^{{\∫}_P^M-{\mathrm{\σ}}_t\left(s\right)\mathrm{ds}}\mathrm{dM}$ 公式5

其中，Ω表示在以M为中心的单元球36中的点M处的所有入射方向ω_in。由于环境照明设备3是连续的，存在无穷数量的入射方向ω_in。

由于参与介质被视为均匀的，参与介质的平均光学属性恒定，即，散射σ_s(M)、吸收σ_a(M)以及消光σ_t(M)系数以及相位函数p(M，ω_out，ω_in)在参与介质10的任一点恒定：σ_s(M)＝σ_s；σ_a(M)＝σ_a；σ_t(M)＝σ_t以及p(M，ω_out，ω_in)＝p(ω_out，ω_in)。那么公式5变成以下公式6：

$L(P,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})={\∫}_P^{M_{\max }}{\mathrm{\σ}}_s{\∫}_{\mathrm{\Ω}}p({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}},{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}})\·L_{\mathrm{ri}}(M,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}})d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\·{\exp }^{-{\mathrm{\σ}}_t\left|\right|P-M\left|\right|}\mathrm{dM}$ 公式6

根据我们的假设，光被认为不依赖于参与介质10的照明点的位置。如下简化公式6以产生以下公式7：

$L(P,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})={\∫}_P^{M_{\max }}{\mathrm{\σ}}_s{\∫}_{\mathrm{\Ω}}p({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}},{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}})\·L_{\mathrm{ri}}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\right)d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\·{\exp }^{-{\mathrm{\σ}}_t\left|\right|P-M\left|\right|}\mathrm{dM}$ 公式7

让我们考虑以上包括入射光和介质的相位函数的乘积的公式7的内部积分：

L_i(ω_out)＝∫Ω_p(ω_out，ω_in)·L_ri(ω_in)dω_in              公式8

可以将函数空间的每个函数写为基函数的线性组合，基函数是函数空间的基的元素。通过使用球函数的标准正交基并且通过将函数L_ri和p投影到球函数的标准正交基上，能够将函数L_ri和p分别表示为：

$L_{\mathrm{ri}}\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\right)\≈\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{L_{\mathrm{ri}}}^j{Y}^j\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\right)$ 公式9

$p({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}},{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})\≈\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{p\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}\right)}^j{Y}^j\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\right)$ 公式10

其中，是表示基函数Y^j(ω_in)中的入射光的第j个投影系数(在总的Nc个系数中的第j个，Nc与以预定方式固定的系数的数量对应)，并且是表示基函数Y^j(ω_in)中的相位函数的第j个投影系数(在总的Nc个系数中的第j个，Nc与以预定方式固定的系数的数量对应)

在GPU存储器的一个或多个表中存储以该方式计算的两组Nc个基函数投影系数。第一组系数表示对于介质10的每个点从任何方向对光进行简单散射而引起的、包括若干光源的环境照明设备发送的光的衰减。第二组系数表示介质10的相位函数。

有利地，相位函数以及入射亮度函数以同一球函数标准正交基表示。

由于基函数是标准正交的，我们有以下属性：

${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{Y}^j\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\right)\·Y^j\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\right)d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}=1$ $\∀j$ 公式11

${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{Y}^j\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\right)\·Y^i\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\right)d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}=1$ $\∀i\≠j$ 公式12

由此通过替换公式L_i中的L_ri和p能够从以上属性中获益：

$L_i\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}\right)=\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{p\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}\right)}^j{Y}^j\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\right)\·\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{L_{\mathrm{ri}}}^j{Y}^j\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}\right)d{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{in}}$ 公式13

$L_i\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}\right)\≈\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{p\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}\right)}^j{\mathrm{\λ}}_{L_{\mathrm{ri}}}^j$ 公式14

通过将该最后的表达结合入公式7，我们获得：

$L(P,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})\≈{\∫}_P^{M_{\max }}{\mathrm{\σ}}_s\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{p\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}\right)}^j\·{\mathrm{\λ}}_{L_{\mathrm{ri}}}^j\·{\exp }^{-{\mathrm{\σ}}_t\left|\right|P-M\left|\right|}\mathrm{dM}$ 公式15

并且通过将不依赖于位置M的项从积分中取出，我们获得：

$L(P,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})\≈{\mathrm{\σ}}_s\·\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{p\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}\right)}^j\·{\mathrm{\λ}}_{L_{\mathrm{ri}}}^j{\∫}_P^{M_{\max }}{\exp }^{-{\mathrm{\σ}}_t\left|\right|P-M\left|\right|}\mathrm{dM}$ 公式16

剩余积分解析地求解如下：

${\∫}_P^{M_{\max }}{\exp }^{-{\mathrm{\σ}}_t\left|\right|P-M\left|\right|}\mathrm{dM}=\frac{1-\exp (-{\mathrm{\σ}}_t||M_{\max }-P|\left|\right)}{{\mathrm{\σ}}_t}$ 公式17

然后获得使得能够解析地估计介质10沿着散射方向ω_out 120散射的光量的最终公式：

$L(P,{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}})\≈{\mathrm{\σ}}_s\·\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{p\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{out}}\right)}^j\·{\mathrm{\λ}}_{L_{\mathrm{ri}}}^j\frac{1-\exp (-{\mathrm{\σ}}_t||M_{\max }-P|\left|\right)}{{\mathrm{\σ}}_t}$ 公式18

公式18具有以下优点：能够根据观察点，即根据在浸在参与介质10的虚拟环境观看的观察者的观察方向，解析并且实时地可计算。解析地求解公式18(或等效的公式16)具有以下优点：能够比数值地求解公式更加精确。实际上，解析求解公式提供公式的准确解，而数值求解提供公式的近似解。经由求解公式18得到的散射光量的估计是可解析的，因为它包括表示均匀参与介质中沿着光方向的光扩散的积分的直接计算(公式17)。

图4图示性地例示适合估计均匀参与介质10散射的光量并且创建用于显示一个或多个图像的信号的装置4的硬件实施例。装置4对应例如个人计算机PC、膝上型计算机或游戏控制器。

装置4包括由地址和数据总线45(其还传递时钟信号)连接在一起的以下元件：

-微处理器41(或CPU)，

-图形卡42，包括：

·若干图形处理单元420(或GPU)；

·GRAM(″图形随机存取存储器″)型随机存取存储器421；

-ROM(″只读存储器″)型非易失性存储器46；

-随机存取存储器或RAM 47；

-一个或多个I/O(″输入/输出″)装置44，诸如例如键盘、鼠标、网络摄像头之类；以及

-电源48。

装置4还包括显示屏幕型显示装置43，其直接与图形卡42连接来显示具体地例如实时地在图形卡中计算并且合成的计算机生成的图形的呈现。使用专用总线来将显示装置43连接到图形卡42提供以下优点：具有更高的数据传输速度以及以该方式减小显示由图形卡合成的图像的等待时间。根据一个变型，显示装置在装置4的外部并且通过传送显示信号的线缆连接至装置4。装置4，例如图形卡42包括适合将显示信号传送到外部显示部件(诸如例如LCD或等离子屏幕或视频投影仪)的传输介质或连接器(未在图4中表示)。

注意在存储器42、46和47的描述中使用的单词“寄存器”指明每个上述存储器中的低容量(某些位数据)存储区以及高容量(使得整个程序被存储或者表示所计算的或者将要显示的数据的全部或者部分数据被存储)存储区。

当被上电时，微处理器41装载并且运行包含在RAM 47中的程序的指令。

随机存取存储器47具体包括：

-在寄存器430中，负责开启装置4的微处理器41的操作程序；

-表示均匀参与介质10的参数471(例如，密度参数、光吸收系数以及光散射系数)。

实施专用于本发明的并在下面描述的方法步骤的算法存储在与实施这些步骤的装置4相关联的图形卡42的GRAM存储器47中。当被上电时并且一旦表示介质的参数470被装载到RAM 47，图形卡42的图形处理单元420将这些参数装载到GRAM 421并且使用例如HLSL(“高级着色器语言”)、GLSL(“OpenGL着色语言”)语言来执行这些算法的以“着色器”型的微程序形式的指令。

GRAM随机存取存取器421具体包括：

-在寄存器4210中，表示介质10的参数，

-表示介质10的任何点的入射光的第一投影系数4211，

-表示介质10的任何点的相位函数的第二投影系数4212，

-表示沿着一个或多个观察方向由介质10散射的光量的值4214。

根据一个变型，如果在GRAM 421中可用的存储器空间不足，则CPU 41分配RAM 47的一部分来存储系数4211和4212以及值4214。然而，由于必须借助总线45(其传送能力一般低于从GPU向GRAM传送数据以及从GRAM向GPU传送数据时图形卡中可用的传送能力)从图形卡向随机存取存储器47传送数据，该变型在由GPU中包括的微程序合成的、包括介质10的表示的图像的合成中造成更长的等待时间。

根据另一变型，电源48在装置4的外部。

图5例示根据本发明的第一特定有利非限制性实施方式实施例的在装置4中实施的用于估计由均匀参与介质散射的光量的方法。

在初始化步骤60期间，更新装置4的各种参数。具体地，以任何方式初始化表示均匀参与介质10的参数。

然后，在步骤51期间，估计球函数的标准正交基的基函数的第一组第一投影系数，这些第一投影系数表示均匀参与介质10的任一点的入射亮度。为了这样做，将表示在参与介质10中沿着入射方向ω_in的光散射之后到达介质的点M的入射光量的入射亮度函数L_ri(M，ω_in)投影到球函数的标准正交基上。使用球函数的标准正交基来表示描述表示介质10中的入射光的环境映射3的函数(已知为入射亮度函数)。无穷数目的入射方向ω_in(为其获得了第一投影系数)形成具有以虚拟环境的任一点M作为中心的球体Ω。以如此的方式来选取第一投影系数的数目，以找到计算这些系数必需的计算能力和装置4的用户期望的沿着散射方向ω_out的散射光量的估计精度之间的最佳折衷。由于环境照明设备被视为在参与介质10的光学无穷远处，忽略参与介质10内部的光的互反射并且在参与介质10的任一点M处第一系数值相同。

然后，在步骤52期间，估计球函数的标准正交基的基函数的第一组第一投影系数，这些第一投影系数表示均匀参与介质10的任一点的入射亮度。为了这样做，通过使用在入射亮度函数的表示中使用的球函数的标准正交基来表示描述介质10的相位函数的函数。由此相位函数被投影到球函数的基的第二组第二投影系数上。相位函数描述来自入射方向ω_in的光是如何在点M处沿散射方向ω_out被散射的。由于参与介质10是均匀的，相位函数p不依赖于所考虑的参与介质10的点M的位置。相位函数p仅仅依赖于入射光的入射方向ω_in和散射光的散射方向ω_out，例如，依赖于方向ω_in和ω_out形成的角度。无穷数目的入射方向ω_in(为其获得了第二投影系数)形成具有以虚拟环境的任一点M作为中心的球体Ω。有利地，以该方式形成的球体和由与第一投影系数相关联的入射方向形成的球体相同。以如此的方式来选取第二投影系数的数目，以找到计算这些系数必需的计算能力和装置4的用户期望的沿着散射方向ω_out的散射光量的估计精度之间的最佳折衷。有利地，第一系数的数目和第二系数的数目相等。

然后，在步骤53期间，使用之前估计的第一投影系数和第二投影系数来估计介质10沿着发送方向120散射的光量。为了这样做，解析地求解公式18。那么不必需预计算来使得均匀参与介质中光散射的呈现许可例如视频游戏型的交互应用中(其中，用户在包括一个或多个均匀参与介质中的空间中被引导着进行虚拟移动)这样的介质的实时呈现中呈现光散射。

有利地，对若干发送方向估计介质10的散射光量。通过合计多个发送方向的这些光估计量，获得介质10散射的并且由观看介质10的观察者感知的总的光量。

只要观察者12围绕着介质10移动，步骤53就有利地反复进行，形成介质10的呈现的图像对于观察者12围绕介质10的每个基本位移被重构。由于就像第二投影系数那样，第一投影系数对于介质10的每个点M是有效的，当观察者12的观察点改变时，即当观察方向(等效于散射方向ω_out)改变时，不必需再次计算第一投影系数或第二投影系数。当观察者12的观察点改变时，仅仅重复进行步骤53。

图6例示根据本发明的第二特定有利非限制性实施方式实施例的在装置4中实施的用于估计由均匀参与介质散射的光量的方法。

在初始化步骤60期间，更新装置4的各种参数。具体地，以任何方式初始化表示均匀参与介质10的参数。

然后，在步骤61和62期间，以与关于图5的步骤51和52所描述的方式相同的方式来估计表示在均匀参与介质10的任一点接收的入射光的量的第一投影系数和表示介质10的相位函数的第二投影系数。因此这里不再详述步骤61和62。

然后在步骤63期间，在由记录在与GPU相关联的存储器中的表组成的数据结构中记录并且存储之前估计的第一投影系数和第二投影系数。这些记录分别称作亮度记录和相位记录。亮度和相位记录表有利地包括所有第一投影系数和第二投影系数。这样的投影系数存储器具有以下优点：加速估计由介质10散射的并且由观察者感知的光量的计算，第一投影系数和第二投影系数在任一时间可用并且可立即用于公式18。

最后，在步骤64期间，以与关于图5的步骤53描述的方式相同的方式来估计散射光量。

当然，本发明不限于之前描述的实施例。

具体地，本发明不限于估计由均匀参与介质散射的光量的方法，而是还扩展至实施该方法的任何装置并且特别是包括至少一个GPU的所有装置。关于图1到3描述的、用于估计第一和第二投影系数和光散射量的公式的实施方式也不限于着色器型的微程序的实施方式，而是还扩展至任何类型的程序的实施方式，例如CPU型的微处理器可执行的程序。

有利地，用于估计投影系数的基函数是球谐型或球小波型函数。

本发明的使用不限于实时使用，而是还扩展至任何其它使用，例如用于所谓的记录工作室(recording studio)的后期制作处理操作，以例如用于呈现计算机生成的画面。后期制作的本发明的实施方式提供以下优点：特别是在减少必需的计算次数的同时，在现实方面给出优秀的视觉呈现。

本发明还涉及用于在二维或三维中合成视频图像的方法，对于视频图像，计算由均匀参与介质散射的光量并且从其产生的表示亮度的信息被用于显示图像像素，每个像素沿着观察方向ω_out对应于观察方向。对计算用于每个图像像素显示的亮度值进行重新计算，来适配观察者的不同观察点。

例如通过PC型或膝上型计算机可执行的程序、或者产生并显示实时图像的专用游戏控制器，本发明可以用于视频游戏应用。关于图4描述的装置4有利地具有交互部件，诸如键盘和/或操纵杆，输入诸如例如声音识别命令的其它模式也是可能的。

Claims (6)

1.一种用于估计由均匀参与介质(10)散射的光量的方法，该光由环境照明设备(3)发出，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-估计(51，61)球函数的标准正交基中的第一组投影系数，所述第一组投影系数表示由所述参与介质(10)接收的入射亮度函数，

-估计(52，62)球函数的所述标准正交基中的第二组投影系数，所述第二组投影系数表示所述参与介质(10)的相位函数，

-从所述第一组投影系数和第二组投影系数解析地估计(53，64)沿着至少一个光扩散方向由所述参与介质(10)散射的光量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境照明设备(3)包括多个光源(31，32，33)，所述多个光源在所述参与介质(10)的光学无穷远处。

3.如权利要求1至2中一项所述的方法，其特征在于，解析地估计光散射量包括直接计算表示光在均匀参与介质中沿着至少一个方向的光扩散的积分。

4.如权利要求1至2中一项所述的方法，其特征在于，通过将表示所述环境照明设备(3)的环境映射投影到球函数的所述标准正交基来进行所述第一组投影系数的估计。

5.如权利要求1至2中一项所述的方法，其特征在于，所述球函数是球谐型。

6.如权利要求1至2中一项所述的方法，其特征在于，所述第一组投影系数和第二组投影系数存储在与至少一个图形处理器相关联的存储器的至少一个表中。

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