CN104063891B - 用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法 - Google Patents

用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法。本方法首先基于光线投射方法,计算从视点位置发射的穿过屏幕像素的光线与三维场景的交点及交点位置的法向量,在此基础上计算每个屏幕像素对应的三维场景空间梯度信息,进而以此为依据自适应地选取各个屏幕像素的采样光线数目。在光线跟踪中利用本方法,能在实现对三维场景画面反走样的同时,有效地减少不必要的采样光线跟踪操作,从而提高光线跟踪绘制效率。

Description

用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法
技术领域
本发明属于三维图形绘制技术领域,涉及一种在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法。
背景技术
在使用光线跟踪方法绘制三维场景画面时,如果空间采样频率不足,就会造成绘制出的画面出现走样。为了解决三维场景画面绘制的走样问题,通常针对每个屏幕像素,产生多条采样光线,最后通过对各屏幕像素的所有采样光线对应的光亮度求平均得到反走样后的屏幕像素光亮度值,进而据此计算屏幕像素的颜色值。实际三维场景画面的不同区域的图像空间变化频率并不相同;通常在几何对象边缘区域的图像空间变化频率比非边缘区域高;因此几何对象的边缘区域往往最容易产生走样。为了在获得较好的画面反走样效果的前提下,提高光线跟踪的绘制效率,需要根据屏幕像素对应的画面位置,自适应地选取屏幕像素的采样光线数目。三维场景画面图像像素对应的几何对象片段的深度和法向量的梯度信息可以在一定程度上反映该像素所在区域的图像空间变化情况。本发明用三维场景空间梯度信息作为启发式信息,设计屏幕像素的自适应采样方法,以选取合适的屏幕像素采样光线数目,在实现光线跟踪绘制的三维场景画面的反走样的同时,提高三维场景画面绘制效率。
发明内容
本方法的目的在于,提供一种在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法。本方法的技术解决方案:首先使用光线投射方法,从视点位置发射穿过各屏幕像素中心点的光线,计算光线与三维场景的几何对象的离视点最近的交点及交点位置处的法向量;然后计算各屏幕像素对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001;最后根据最大值A001,自适应地选取屏幕像素的采样光线数目,并完成对三维场景的光线跟踪绘制。图1所示为9个屏幕像素,其中位于中央位置的屏幕像素109被屏幕像素101、屏幕像素102、屏幕像素103、屏幕像素104、屏幕像素105、屏幕像素106、屏幕像素107、屏幕像素108共8个屏幕像素围绕。屏幕像素109对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001根据屏幕像素109及其周围的相邻屏幕像素对应的穿过屏幕像素中心点的光线与三维场景的几何对象的交点及交点位置处的法向量计算得到。
本方法的第一部分计算各个屏幕像素对应的三维场景空间梯度信息,具体实现步骤如下:
Step001:对每个屏幕像素A002,使用光线投射方法,从视点位置发射穿过屏幕像素A002的中心点的光线A101,计算光线A101与三维场景的几何对象的离视点最近的交点A102以及交点A102处的几何对象表面法向量A103;将屏幕像素A002对应的光线A101对应的交点A102和法向量A103保存在计算机系统的内存中;每个屏幕像素A002都与保存在计算机系统的内存中的一个交点A102和法向量A103相对应;
Step002:对每个屏幕像素A002,做如下操作:
Step002-1:计算屏幕像素A002对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点的距离D1;将屏幕像素A002对应的保存在计算机系统的内存中的法向量A103赋值给变量N1;对变量N1表示的法向量进行归一化,再将归一化后的结果赋值给变量N1
Step002-2:令变量dDm=0;令变量dNm=0;
Step002-3:对屏幕像素A002周围的每个相邻屏幕像素A105,做如下操作:
计算屏幕像素A105对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点的距离D2;如果|D1-D2|>dDm,则令dDm=|D1-D2|;将屏幕像素A105对应的保存在计算机系统的内存中的法向量A103赋值给变量N2;对变量N2表示的法向量进行归一化,再将归一化后的结果赋值给变量N2;如果max(|N1,x-N2,x|,|N1,y-N2,y|,|N1,z-N2,z|)>dNm,则令dNm=max(|N1,x-N2,x|,|N1,y-N2,y|,|N1,z-N2,z|);N1,x为变量N1表示的法向量的x分量,N1,y为变量N1表示的法向量的y分量,N1,z为变量N1表示的法向量的z分量,N2,x为变量N2表示的法向量的x分量,N2,y为变量N2表示的法向量的y分量,N2,z为变量N2表示的法向量的z分量,max表示求最大值,|·|表示求绝对值;
Step002-4:为屏幕像素A002关联一个深度梯度的幅值的最大值变量A106,将变量A106赋值为变量dDm的值;为屏幕像素A002关联一个法向量梯度的幅值的最大值变量A107,将变量A107赋值为变量dNm的值;
Step002-5:针对屏幕像素A002的操作结束。
本方法的第二部分在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样,具体实现步骤如下:
Step101:对每个屏幕像素B001,做如下操作:
Step101-1:在本方法的第一部分得到的三维场景空间梯度信息的基础上,将与屏幕像素B001相关联的深度梯度的幅值的最大值变量A106的值赋值给变量Dm,将与屏幕像素B001相关联的法向量梯度的幅值的最大值变量A107的值赋值给变量Nm
Step101-2:如果其中Tm为深度梯度阈值,Sm为法向量梯度阈值,表示向下取整,则转子步骤Step101-4;
Step101-3:如果则将赋值给变量NUM,否则将25赋值给变量NUM;转子步骤Step101-5;
Step101-4:如果则将赋值给变量NUM,否则将25赋值给变量NUM;
Step101-5:在屏幕像素B001的空间区域内随机地选取NUM个点,从视点位置发射光线穿过这NUM个点,得到NUM条光线;利用光线跟踪方法,跟踪这NUM条光线在三维场景中的传输,计算每条光线对应的光亮度,最后计算这NUM条光线的光亮度的平均值B002;
Step101-6:针对屏幕像素B001的操作结束。
Step102:根据各屏幕像素对应的光亮度的平均值B002,计算各屏幕像素的颜色值,以生成三维场景画面的图像,将其保存到计算机系统的磁盘文件中。
有益效果
本发明提供了一种在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法。本方法首先计算每个屏幕像素对应的三维场景空间梯度信息,然后以此为依据自适应地选取各个屏幕像素的采样光线数目。在进行光线跟踪时,针对每个屏幕像素随机地产生相应数目的采样光线,并计算各条采样光线的光亮度。通过对各条采样光线的光亮度求均值来得到反走样后的像素光亮度值。本方法在实现对三维场景画面反走样的同时,能有效减少不必要的采样光线跟踪操作,以提高光线跟踪绘制效率。
附图说明
图1为九个屏幕像素及其位置关系示意图。
具体实施方式
为了使本方法的特征和优点更加清楚明白,下面结合具体实施例对本方法作进一步的描述。在本实施例中,首先考虑一个办公室三维场景。计算机系统的CPU选择Intel(R)Xeon(R)CPU E3-1225v3@3.20GHz,内存选择金士顿8GB DDR3 1333,硬盘选择Buffalo HD-CE 1.5TU2;计算机操作系统选用Windows 7,软件编程工具选用VC++2010。
本方法的技术解决方案:首先使用光线投射方法,从视点位置发射穿过各屏幕像素中心点的光线,计算光线与三维场景的几何对象的离视点最近的交点及交点位置处的法向量;然后计算各屏幕像素对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001;最后根据最大值A001,自适应地选取屏幕像素的采样光线数目,并完成对三维场景的光线跟踪绘制。图1所示为9个屏幕像素,其中位于中央位置的屏幕像素109被屏幕像素101、屏幕像素102、屏幕像素103、屏幕像素104、屏幕像素105、屏幕像素106、屏幕像素107、屏幕像素108共8个屏幕像素围绕。屏幕像素109对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001根据屏幕像素109及其周围的相邻屏幕像素对应的穿过屏幕像素中心点的光线与三维场景的几何对象的交点及交点位置处的法向量计算得到。
本方法的第一部分计算各个屏幕像素对应的三维场景空间梯度信息,具体实现步骤如下:
Step001:对每个屏幕像素A002,使用光线投射方法,从视点位置发射穿过屏幕像素A002的中心点的光线A101,计算光线A101与三维场景的几何对象的离视点最近的交点A102以及交点A102处的几何对象表面法向量A103;将屏幕像素A002对应的光线A101对应的交点A102和法向量A103保存在计算机系统的内存中;每个屏幕像素A002都与保存在计算机系统的内存中的一个交点A102和法向量A103相对应;
Step002:对每个屏幕像素A002,做如下操作:
Step002-1:计算屏幕像素A002对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点的距离D1;将屏幕像素A002对应的保存在计算机系统的内存中的法向量A103赋值给变量N1;对变量N1表示的法向量进行归一化,再将归一化后的结果赋值给变量N1
Step002-2:令变量dDm=0;令变量dNm=0;
Step002-3:对屏幕像素A002周围的每个相邻屏幕像素A105,做如下操作:
计算屏幕像素A105对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点的距离D2;如果|D1-D2|>dDm,则令dDm=|D1-D2|;将屏幕像素A105对应的保存在计算机系统的内存中的法向量A103赋值给变量N2;对变量N2表示的法向量进行归一化,再将归一化后的结果赋值给变量N2;如果max(|N1,x-N2,x|,|N1,y-N2,y|,|N1,z-N2,z|)>dNm,则令dNm=max(|N1,x-N2,x|,|N1,y-N2,y|,|N1,z-N2,z|);N1,x为变量N1表示的法向量的x分量,N1,y为变量N1表示的法向量的y分量,N1,z为变量N1表示的法向量的z分量,N2,x为变量N2表示的法向量的x分量,N2,y为变量N2表示的法向量的y分量,N2,z为变量N2表示的法向量的z分量,max表示求最大值,|·|表示求绝对值;
Step002-4:为屏幕像素A002关联一个深度梯度的幅值的最大值变量A106,将变量A106赋值为变量dDm的值;为屏幕像素A002关联一个法向量梯度的幅值的最大值变量A107,将变量A107赋值为变量dNm的值;
Step002-5:针对屏幕像素A002的操作结束。
本方法的第二部分在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样,具体实现步骤如下:
Step101:对每个屏幕像素B001,做如下操作:
Step101-1:在本方法的第一部分得到的三维场景空间梯度信息的基础上,将与屏幕像素B001相关联的深度梯度的幅值的最大值变量A106的值赋值给变量Dm,将与屏幕像素B001相关联的法向量梯度的幅值的最大值变量A107的值赋值给变量Nm
Step101-2:如果其中Tm为深度梯度阈值,Sm为法向量梯度阈值,表示向下取整,则转子步骤Step101-4;
Step101-3:如果则将赋值给变量NUM,否则将25赋值给变量NUM;转子步骤Step101-5;
Step101-4:如果则将赋值给变量NUM,否则将25赋值给变量NUM;
Step101-5:在屏幕像素B001的空间区域内随机地选取NUM个点,从视点位置发射光线穿过这NUM个点,得到NUM条光线;利用光线跟踪方法,跟踪这NUM条光线在三维场景中的传输,计算每条光线对应的光亮度,最后计算这NUM条光线的光亮度的平均值B002;
Step101-6:针对屏幕像素B001的操作结束。
Step102:根据各屏幕像素对应的光亮度的平均值B002,计算各屏幕像素的颜色值,以生成三维场景画面的图像,将其保存到计算机系统的磁盘文件中。
在本实施例中,Tm设置为三维场景中的所有可视几何对象片段的最大深度值与最小深度值之差的1/20倍,Sm设置为0.05;
在本实施例中,对于位于屏幕边缘的屏幕像素B100,与图1所示情形不同,屏幕像素B100的周围的相邻屏幕像素个数小于8;在这种情形下,在子步骤Step002-3中,涉及的屏幕像素B100周围的相邻屏幕像素的个数也小于8。
在光线跟踪中,如果存在从视点位置发射的穿过屏幕像素的光线C001不与三维场景中的任何几何对象相交的情形,例如表现太阳系中的行星的三维场景,就会有许多从视点位置发射的穿过屏幕像素的光线不与任何几何对象相交,则设置光线C001对应的屏幕像素的光亮度为背景光亮度,且不再跟踪光线C001的反射或者折射。在实施本方法时,对于这类特殊的三维场景,首先创建一个包围球C002,使三维场景的所有几何对象和视点位置都处于包围球C002之内;在执行从视点位置发射的穿过屏幕像素中心点的光线C003的求交操作时,如果三维场景中不存在几何对象与光线C003相交,则计算光线C003与包围球C002的交点C004以及交点C004处的法向量C005;法向量C005为从交点C004指向包围球C002的球心的向量。

Claims (1)

1.在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法,其特征在于,技术解决方案和所需的实现步骤如下:
本方法的技术解决方案:首先使用光线投射方法,从视点位置发射穿过各屏幕像素中心点的光线,计算光线与三维场景的几何对象的离视点最近的交点及交点位置处的法向量;然后计算各屏幕像素对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001;最后根据最大值A001,自适应地选取屏幕像素的采样光线数目,并完成对三维场景的光线跟踪绘制;屏幕像素(109)对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001根据屏幕像素(109)及其周围的相邻屏幕像素对应的穿过屏幕像素中心点的光线与三维场景的几何对象的交点及交点位置处的法向量计算得到;
本方法的第一部分计算各个屏幕像素对应的三维场景空间梯度信息,具体实现步骤如下:
Step001:对每个屏幕像素A002,使用光线投射方法,从视点位置发射穿过屏幕像素A002的中心点的光线A101,计算光线A101与三维场景的几何对象的离视点最近的交点A102以及交点A102处的几何对象表面法向量A103;将屏幕像素A002对应的光线A101对应的交点A102和法向量A103保存在计算机系统的内存中;每个屏幕像素A002都与保存在计算机系统的内存中的一个交点A102和法向量A103相对应;
Step002:对每个屏幕像素A002,做如下操作:
Step002-1:计算屏幕像素A002对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点的距离D1;将屏幕像素A002对应的保存在计算机系统的内存中的法向量A103赋值给变量N1;对变量N1表示的法向量进行归一化,再将归一化后的结果赋值给变量N1
Step002-2:令变量dDm=0;令变量dNm=0;
Step002-3:对屏幕像素A002周围的每个相邻屏幕像素A105,做如下操作:
计算屏幕像素A105对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点的距离D2;如果|D1-D2|>dDm,则令dDm=|D1-D2|;将屏幕像素A105对应的保存在计算机系统的内存中的法向量A103赋值给变量N2;对变量N2表示的法向量进行归一化,再将归一化后的结果赋值给变量N2;如果max(|N1,x-N2,x|,|N1,y-N2,y|,|N1,z-N2,z|)>dNm,则令dNm=max(|N1,x-N2,x|,|N1,y-N2,y|,|N1,z-N2,z|);N1,x为变量N1表示的法向量的x分量,N1,y为变量N1表示的法向量的y分量,N1,z为变量N1表示的法向量的z分量,N2,x为变量N2表示的法向量的x分量,N2,y为变量N2表示的法向量的y分量,N2,z为变量N2表示的法向量的z分量,max表示求最大值,|·|表示求绝对值;
Step002-4:为屏幕像素A002关联一个深度梯度的幅值的最大值变量A106,将变量A106赋值为变量dDm的值;为屏幕像素A002关联一个法向量梯度的幅值的最大值变量A107,将变量A107赋值为变量dNm的值;
Step002-5:针对屏幕像素A002的操作结束;
本方法的第二部分在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样,具体实现步骤如下:
Step101:对每个屏幕像素B001,做如下操作:
Step101-1:在本方法的第一部分得到的三维场景空间梯度信息的基础上,将与屏幕像素B001相关联的深度梯度的幅值的最大值变量A106的值赋值给变量Dm,将与屏幕像素B001相关联的法向量梯度的幅值的最大值变量A107的值赋值给变量Nm
Step101-2:如果其中Tm为深度梯度阈值,Sm为法向量梯度阈值,表示向下取整,则转子步骤Step101-4;
Step101-3:如果则将赋值给变量NUM,否则将25赋值给变量NUM;转子步骤Step101-5;
Step101-4:如果则将赋值给变量NUM,否则将25赋值给变量NUM;
Step101-5:在屏幕像素B001的空间区域内随机地选取NUM个点,从视点位置发射光线穿过这NUM个点,得到NUM条光线;利用光线跟踪方法,跟踪这NUM条光线在三维场景中的传输,计算每条光线对应的光亮度,最后计算这NUM条光线的光亮度的平均值B002;
Step101-6:针对屏幕像素B001的操作结束;
Step102:根据各屏幕像素对应的光亮度的平均值B002,计算各屏幕像素的颜色值,以生成三维场景画面的图像,将其保存到计算机系统的磁盘文件中。
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Granted publication date: 20170419

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