CN103426199B - 一种三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法。该方法包括：主节点初始化当前帧图像的绘制，包括绘制视口分割、模型差分传输和绘制背景贴图，并将分割后的视口参数、三维模型和背景贴图分发到各个子节点；子节点对接收到的三维模型及视口参数进行多尺度视口分层绘制，同时将绘制的每一层图像传输给主节点；主节点同步各个子节点对当前帧的绘制图像，将相同层的图像进行拼接显示；主节点统计各个子节点每秒钟绘制的帧数，进行下一帧图像绘制。本发明以全局光照方式绘制复杂三维几何模型场景，为用户提供静态场景和动态动面场景的漫游与快速预览，并能减少绘制过程中的噪点，提高绘制质量，降低三维场景建模成本。
Description
技术领域
本发明属于计算机应用技术中的计算机图形学领域和虚拟现实技术领域，尤其涉及一种三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法。
背景技术
三维场景的照片级真实感绘制(photo-realistic rendering)是计算机图形学领域和虚拟现实领域的一个具有挑战性的问题。然而目前所有图形处理器(GPU)固定管线(fixed pipeline)均使用基于局部光照计算的光栅化(rasterization)绘制方法。光线追踪绘制(ray tracing)是一种有效的全局光照绘制方法，然而它的主要困难除了每个采样光线在计算光线路径时由于场景中的几何多边形数量过多而带来的巨大求交运算开销，还包括在在采样时计算像素颜色值产生的噪点。
2002年Saarland大学的计算机图形学实验室研制了一种基于硬件的光线追踪架构SaarCOR[J.Schmittler，I.Wald，and P.Slusallek.2002.SaarCOR：a hardware architecture for ray tracing.In Proceedings of the ACMSIGGRAPH/EUROGRAPHICS conference on Graphics hardware(HWWS′02).27-36.]，在现场可编辑逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array/FPGA)上实现了光线追踪算法，来进行三维场景的全局光照绘制。随后于2005年发布了原型芯片Ray Processing Unit(RPU)[S.Woop，J.Schmittler，and P.Slusallek.2005.RPU：a programmable ray processing unit for realtimeray tracing.In ACM SIGGRAPH2005Papers(SIGGRAPH′05)，MarkusGross(Ed.).ACM，New York，NY，USA，434-444.DOI＝10.1145/1186822.1073211]。RPU能够递归地进行光线追踪计算，准确的模拟全局光的传播，绘制高质量的图片。但是搭建应用程序的成本较高，可移植性低。
英特尔(Intel)公司在2012年公开发行了一种拥有照片级真实感的全局光照绘制系统Embree。Embree采用基于蒙特卡罗随机采样(Monte Carlosampling)的光线追踪算法来进行场景中的全局光照计算。该方法使用层级包围盒(bounding volume hierarchy/BVH)来组织场景中的三角形，光线依次与各个层级的包围盒求交，以此来加速光线与场景三角形的求交测试。该方法能够以交互式的速度绘制场景，然而由于该算法采用CPU进行计算，当应用需要进行如物体碰撞检测，AI寻路以及场景物体的动画模拟等涉及到大量的CPU运算的任务时通常会严重加重CPU负担。同时基于蒙特卡罗随机采样的光线生成方式在采样过程中会出现明显的噪点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是以分布式的方式进行三维几何场景的实时的低噪声的全局光照绘制。主要应用于数字娱乐、文化创意和建模设计等方面。
为此，本发明公开了一种三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法，其包括：
步骤1、主节点初始化当前帧图像的绘制，包括绘制视口分割、模型差分传输和绘制背景贴图，并将分割后的视口参数、三维模型和背景贴图分发到各个子节点；
步骤2、子节点对接收到的三维模型及视口参数进行多尺度视口分层绘制，同时将绘制的每一层图像传输给主节点；
步骤3：主节点同步各个子节点对当前帧的绘制图像，将相同层的图像进行拼接显示；
步骤4：主节点统计各个子节点每秒钟绘制的帧数，进行下一帧图像绘制。
其中，其还包括用户改变了视点位置或视线方向后，主节点计算视点空间中的投影变换矩阵并在绘制下一帧图像时传递给各个子节点。
其中，其还包括主节点在接收到退出的系统消息后，则向各个子节点发出退出的消息，终止子节点的绘制服务。
其中，步骤1中，所述主节点在绘制第一帧前，根据各个子节点计算机的计算性能的高低预先将整个绘制区域分割成不同的子视口区域；而在绘制其它帧时，根据前一帧图像绘制过程中统计得到的每秒钟绘制的帧数进行分割。
其中，步骤1中，模型差分传输包括主节点将要绘制的当前帧的三维模型分成多个部分，计算每个部分的第一级MD5码，然后对每个部分按照同等大小进行分块，对每块计算第二级MD5码。
其中，步骤1中，绘制背景贴图包括主节点预先绘制出背景环境，将其颜色值保存为背景贴图，并标记处三维模型中的背景部分后与背景贴图一起发送给各个子节点。
其中，步骤2中每个子节点采用多尺度方式对需要绘制的视口区域进行分层，使用离散采样建立视口区域的采样金字塔，产生分辨率由高到低的不同图层进行绘制。
其中，在绘制过程中，首先绘制低分辨率的图层，然后绘制上一级的高分辨率图层，在绘制高分辨率图层时，属于低分辨率图层的采样点的RGB颜色值直接复制，无需重新绘制；在绘制过程中，判断光线采样点与物体的相交的位置是否是焦散和高光的区域，若是则以预计算出的背景贴图进行颜色混合，以此来减少焦散和高光区域中产生的高频噪点。
本发明公开的上述方法采用多节点分布式方式在各个子节点的GPU中计算场景的全局光照绘制结果。在子节点中我们采用一种多尺度视口分层绘制机制，依次从低分辨率到高分辨率绘制场景视口，提供场景绘制结果的快速预览，同时保证相邻图层间的连续、实时的平滑过渡。进一步通过预先绘制出地面，天空等背景环境，将其保存作为材质贴图，来减少场景中焦散和高光区域中产生的高频噪点。采用一种差分传输方式将场景模型数据快速地分发到各个子节点。该方法能够实时的以全局光照的方式绘制复杂三维几何模型的场景，为用户提供静态场景动画场景的漫游与快速预览，并能减少绘制过程中的噪点，提高绘制质量，降低建模成本。
附图说明
图1示出了本发明中三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法的流程图；
图2示出了本发明中一个五个子节点的视口区域分割图；
图3示出了本发明中三维场景文件的分割与编码；
图4示出了本发明优选实施例中的三维场景图；
图5示出了本发明优选实施例中另一个三维场景图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了本发明提出的一种三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：启动主节点对每帧图像的绘制初始化工作，包括绘制视口分割、模型差分传输和绘制背景贴图三个模块。如果是第一帧则根据预先设定的比例分割视口，对模型进行差分编码并绘制背景贴图。将分割后的视口参数(包括子视口左上角的位置坐标、长宽尺寸以及相机的投影变换矩阵)、模型和背景贴图分发到各个子节点。
如果不是第一帧则根据前一帧中统计的各个子节点的每秒钟绘制的帧数(Frame Per Second/FPS)分割视口，主节点判断三维模型是否被编辑修改，若是则需重新对模型进行编码并绘制背景贴图。把更新后的视口参数，模型和背景贴图差分传输到各个子节点；
步骤2：子节点对接收到的模型数据及视口参数进行多尺度视口分层绘制，同时将绘制的每一层图层的RGB图像传输给主节点；
步骤3：主节点同步各个子节点对当前帧的绘制结果，将相同层的RGB图像拼接显示；
步骤4：主节点统计各个子节点的FPS值，并转步骤1进行下一帧的绘制，直至整个动画绘制完成。
另外，上述方法还包括，主节点如果判断出视点位置或者视线方向发生改变，则计算视点空间中的投影变换矩阵并记录到场景文件中，在下一帧中传递给子节点；另外主节点如果接收到退出的系统消息则向各个子节点发出退出的消息，终止子节点的绘制服务，主节点退出。
对于步骤1，本发明采用通过局域网连接的子节点进行分布式绘制。根据各个子节点的计算性能，为每个子节点分配相称的绘制任务来均衡整个系统的性能。预先将最终的视口区域分割成大小不同的多个绘制区域，根据各个子节点计算机的计算性能的高低分配所分割得到的区域大小不同的绘制区域。计算能力高的子节点分配较大的绘制区域，计算性能较差的子节点分配较小的绘制区域。
图2示出了本发明中一个五个子节点的视口区域分割图。如图2所示，本发明中优选地以子节点图形处理器(GPU)的每秒浮点运算次数(Floating-point operations per second/FLOPS)，显示核心数量以及处理带宽来衡量GPU的计算能力。根据子节点GPU的性能，将绘制视口按面积分割成等比例的矩形区域。计算能力高的子节点分配面积较大的绘制视口区域，计算能力低的子节点分配的面积较小的绘制视口区域。
如果不是第一帧则根据前一帧中统计的各个子节点的FPS的比例重新线性的分割绘制视口，更新当前帧中各个子节点需要绘制视口的位置和尺寸。
对于模型数据差分传输，本发明采用一种适用于三维场景模型文件的数据编码与差分传输方法，来同步子节点与主节点的模型文件。
图3示出了本发明中三维场景文件的分割与编码模型图。如图3所示，三维场景模型文件通常包含七部分：三角形顶点坐标，法向量，纹理坐标，纹理贴图，光照材质参数，视点参数，动画参数。建模设计人员通常在修改模型外型，材质，纹理或者动画等单个方面后进行场景的重新绘制以观察修改后的结果。本发明中首先依次把文件的每个部分都计算128位的MD5码(称为第一级MD5码)，然后对每个部分按照同等大小(如1k字节)进行分块，对每块计算出第二级的MD5码。在同步时，各个子节点将各自模型文件的第一级MD5码与主节点上的进行比较，若有不同则依次比较第二级的MD5码，传输不同MD5码的文件块。建模设计人员在修改了三维模型之后，子节点能够快速地将新文件同步到本地进行绘制。
对于绘制背景贴图，本发明采用一种预处理方式，首先对场景进行一次绘制，预先绘制出地面天空等背景环境，将绘制好的地面天空等背景环境的RGB值颜色保存作为背景贴图，并对三维模型中的背景部分进行标记。该背景贴图连同三维模型一起分发给子节点。
对于步骤2、各个子节点并发绘制各自的绘制区域。绘制时采用光线追踪算法(光线追踪是一种常用的计算全局光照的算法)来计算场景的全局光照。各个子节点首先在GPU中构建三维场景中所有三角面片的k-dtree存储结构，以此来加速光线与场景三角形的求交测试，然后并行地对以视点为原点经过各个屏幕采样点的光线进行路径追踪。每个子节点在分配的绘制区域计算从三维模型场景的世界坐标系中的视点位置V0发出到绘制区域屏幕采样点位置Vt中的采样光线为：V＝V0+d×(Vt-V0)，其中，V0是光线的原点，Vt-V0是其方向向量，d是光线的距离参数，代表光线传播的距离，范围是[0，无穷大)。计算出完整的光线V在介质中传播的路径，在光线和场景中物体的交点Pi上，得到Pi上的几何信息(位置坐标，表面法向量和材质参数)。本发明中使用双向反射分布函数(BidirectionalReflectance Distribution Function/BRDF)计算并累积该条光线V在交点Pi处光离开该点到达眼睛的光的能量(颜色值)。并行地对视点V0发出的所有采样光线进行如上操作，计算分配的该绘制区域内的颜色值。光线追踪过程在子节点的GPU中进行。
采用多尺度方式对需要绘制的视口区域进行分层，产生分辨率由高到低的不同图层。每一个高分辨率图层包含下一级的低分辨率图层。该方法类似于高斯采样，与高斯采样的内插式采样不同，在计算低分辨率图像时统一按预先指定的位置记录下采样时2x2网格像素中的某一个像素的位置，进行离散采样。采样点位置可以统一指定为左上点，左下点，右上点和右下点中的任意一点。在绘制高分辨率图层时，属于低分辨率图层的采样点的颜色值直接使用，无需重新绘制。保证相邻图层间的连续、实时的平滑过渡。对于不属于低分辨率图层的采样点，计算以视点为原点的光线传播路径，计算该采样点的颜色。在绘制过程中，首先绘制低分辨率的图层，然后再绘制上一级的高分辨率图层。这样，在子节点较少或者计算能力不足的情况下，为用户提供快速预览。
另外，如果采样光线与模型的相交的位置是焦散和高光的区域，并且光线最终与场景的背景相交，则把该采样光线计算得来的RGB颜色值L与背景贴图相交处的RGB颜色值T进行alpha混合，混合后的RGB值为α*T+(1-α)L，其中α是预先设定的，0＜α＜1。以此来减少焦散和高光区域中产生的高频噪点。
对于步骤3主节点负责同步各个子节点每一帧的绘制任务。主节点同步当前帧各个子节点的绘制结果，将相同层的RGB图像按照步骤1中分割得到的位置进行拼接显示。同时对标准动画格式的三维场景文件，主节点负责控制三维文件的动画播放，所有子节点都同步该动画帧(主节点的动画帧)，各自绘制当前帧的预先分配的视口区域。当所有子节点的绘制结果返回后，主节点进行下一帧的播放。以此来完成整个动画播放过程的快速绘制。
对于步骤4，主节点统计各个子节点的FPS值。在每帧绘制结束后，主节点统计并记录各个子节点的FPS，用于下一帧中的视口分割。统计完成后转步骤1执行，直至完成整个动画的绘制。
另外，用户在主节点中通过键盘与鼠标来改变视点的位置和视线的方向，如果视点位置或者视线方向发生改变，主节点则计算视点空间中的投影变换矩阵并记录到场景文件中，在下一帧中传递给子节点；主节点如果接收到退出的系统消息则向各个子节点发出退出的消息，终止子节点的绘制服务，主节点退出。
下面以具体的实验结果说明本发明提出的上述方案。本实验中用C++语言和CUDA(Compute Unified Device Architecture，统一计算架构)实现了本发明所描述的方法。实验在一台Core i7 2.67GHz的CPU、8GB内存、Nvidia GeForce GTX560显示芯片、操作系统为Windows7主节点和三台Core i5 3.20GHz的CPU、24GB内存、Nvidia GeForce GTX570显示芯片、操作系统为Windows7的PC子节点上完成。服务器与子节点间通过百兆带宽的局域网连接通信。
图4示出了一个三维模型场景A，该场景中的总共包含有293,407个顶点，287,563个多边形，该场景包含两个面光源，由三个节点进行实时的光线追踪绘制，FPS为15.97。
图5示出了另一个三维模型场景B，其几何复杂度规模比A要小，该场景中包含有91,452个顶点，86,390个多边形，该场景包含一个面光源，由三个节点进行实时的光线追踪绘制，FPS为24.23。
本发明提出的方案在普通的GPU中进行分布式的全局光照计算，在绘制时能够动态的调整各个子节点的绘制区域，达到各个节点间的负载均衡。采用多尺度方式对需要绘制的视口区域进行分层提供场景的快速预览，通过预先绘制的背景贴图来减少高光焦散区域的高频噪点。同时采用一种模型的差分编码算法，美工人员在修改模型后，各个子节点能够快速的得到修改后的数据同时进行场景预览。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法，其包括：
步骤1、主节点初始化当前帧图像的绘制，包括绘制视口分割、模型差分传输和绘制背景贴图，并将分割后得到的视口参数、三维模型和背景贴图分发到各个子节点；
步骤2、子节点对接收到的三维模型及视口参数进行多尺度视口分层绘制，同时将绘制的每一层图像传输给主节点；其中，每个子节点采用多尺度方式对需要绘制的视口区域进行分层，使用离散采样建立视口区域的采样金字塔，产生分辨率由高到低的不同图层进行绘制；
步骤3：主节点同步各个子节点对当前帧的绘制图像，将相同层的图像进行拼接显示；
步骤4：主节点统计各个子节点每秒钟绘制的帧数，进行下一帧图像绘制；
其中，步骤1中，模型差分传输包括主节点将要绘制的当前帧的三维模型分成多个部分，计算每个部分的第一级MD5码，然后对每个部分按照同等大小进行分块，对每块计算第二级MD5码。
2.如权利要求1所述的三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法，其特征在于，其还包括用户改变了视点位置或视线方向后，主节点计算视点空间中的投影变换矩阵并在绘制下一帧图像时传递给各个子节点。
3.如权利要求1所述的三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法，其特征在于，其还包括主节点在接收到退出的系统消息后，则向各个子节点发出退出的消息，终止子节点的绘制服务。
4.如权利要求1所述的三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法，其特征在于，步骤1中，所述主节点在绘制第一帧前，根据各个子节点计算机的计算性能的高低预先将整个绘制区域分割成不同的子视口区域；而在绘制其它帧时，根据前一帧图像绘制过程中统计得到的每秒钟绘制的帧数进行分割。
5.如权利要求1所述的三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法，其特征在于，步骤1中，绘制背景贴图包括主节点预先绘制出背景环境，将其颜色值保存为背景贴图，并标记三维模型中的背景部分后与背景贴图一起发送给各个子节点。
6.如权利要求1所述的三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法，其特征在于，在绘制过程中，首先绘制低分辨率的图层，然后绘制上一级的高分辨率图层，在绘制高分辨率图层时，属于低分辨率图层的采样点的RGB颜色值直接复制，无需重新绘制；在绘制过程中，判断光线采样点与物体的相交的位置是否是焦散和高光的区域，若是则以预计算出的背景贴图进行颜色混合，以此来减少焦散和高光区域中产生的高频噪点。
7.如权利要求1-6任一项所述的三维几何场景的低噪声实时全局光照绘制方法，其特征在于，所述视口参数包括绘制视口被分割成的子视口左上角的位置坐标、长宽尺寸以及相机的投影变换矩阵。
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| Title |
|---|
| Fast Multi-Operator Image Resizing and Evaluation;Wei-Ming Dong等;《Journal of Computer Science and Technology》;20120131;第27卷(第1期);121-134 * |
| 面向复杂场景真实感绘制的并行简化方案;王修晖等;《系统工程理论与实践》;20111031;第31卷;146-149 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103426199A (zh) | 2013-12-04 |
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