CN105261059A - 一种基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法，包括以下步骤：对场景进行渲染，并将渲染结果中的基本场景信息作为纹理缓存预存起来；基于获得的纹理缓存使用重要性采样对BRDF函数进行屏幕空间中的光线追踪获得与渲染场景的采样交点；根据采样交点的信息通过进行Mip-Map操作来获得该采样点领域内的区域材质近似信息；利用该材质信息通过vMF分布函数方法计算获得对应的拟合BRDF函数，基于该函数信息计算获得采样方向的光照计算结果；使用每个方向对应的重要性采样权重对计算所得的数据进行加和得到该像素点最终的渲染结果。本发明在不降低渲染效率的前提下，提高间接高光光照计算的准确度。

Description

一种基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法

技术领域

本发明涉及实施绘制技术领域，具体涉及一种基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法。

背景技术

在实时绘制领域，光照的计算对于最终生成图像的真实感起到了至关重要的作用，尤其是间接光照的绘制，能带来远超越只计算直接光照的绘制真实感。在电影工业，游戏制作，虚拟现实等领域中具有广泛的需求和应用。

传统的实时绘制领域较少的考虑间接光照的计算，通常只计算直接光照就输出最终的绘制结果。近几年来随着硬件性能的提升，使得在实时绘制领域，利用屏幕空间信息来进行间接光照计算成为可能，因此出现了不少能够实时的模拟部分间接光照的效果，比如SSAO(Screen-SpaceAmbientOcclusion)，SSDO(ScreenSpaceDirectionalOcclusion)。

然而，上述方法虽然能够获得不错的效果，但是在准确度上还是有所欠缺，并不能获得真正符合情理的反射效果。

发明内容

本发明提供了一种基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法，能够实时性的计算间接高光，在不降低渲染效率的前提下，提高间接高光光照计算的准确度。

一种基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法，包括以下步骤：

(1)对目标场景进行初步渲染，得到摄像机视角下，每个屏幕空间像素点对应的目标场景颜色、目标场景中每个几何点的空间位置和法向向量。

每个屏幕空间像素点对应的目标场景颜色，即色彩纹理；目标场景中每个几何点的空间位置和法向向量，即几何纹理，对色彩纹理和几何纹理进行存储。

(2)每个屏幕空间像素点对应目标场景中的一个几何点，该几何点的材质使用vMF分布函数表示的BRDF函数表达，利用各个几何点的法向量与相应的vMF分布函数参数的乘积构建Mip-map纹理。

构建一张屏幕空间大小的纹理，将目标场景中各个几何点的法向量与相应的vMF分布函数参数的乘积存储在该纹理中，并依据该纹理构建Mip-map纹理。

(3)依据每个屏幕空间像素点对应的目标场景颜色、目标场景中每个几何点的空间位置和法向向量、以及Mip-map纹理在屏幕空间进行绘制，对于每个绘制点，依据该绘制点的材质信息使用重要性采样方法生成入射光线的采样方向，沿着每个采样方向使用光线追踪技术(Ray-Marching技术)在屏幕空间中计算得到每个采样方向与目标场景的交点。

如果采样方向与目标场景没有交点，也即该采样方向不存在间接光照，直接利用现有技术处理即可，如果采样方向与目标场景存在交点，则继续进行步骤(4)。

(4)对于每个交点，利用重要性采样权重计算该采样方向所对应的立体角的大小，并依据立体角的大小和摄像机与交点的距离，计算该采样方向在屏幕空间中对应的Mip-map级别。

步骤(4)中，利用重要性采样权重计算该采样方向所对应的立体角大小的公式如下：

${\mathrm{\Ω}}_s=\frac{1}{N\·p(s_i,s_o)}$

式中：Ω_s为立体角；N为进行重要性采样的样本数量；p(s_i,s_o)为每个样本的对应PDF概率，(s_i,s_o)为该PDF函数的参数，其中s_i是入射方向，s_o是出射方向。

步骤(4)中计算Mip-map级别的方法如下：

某一交点处一个像素对应于绘制点的立体角大小为

${\mathrm{\Ω}}_p=\frac{{\left(\frac{w}{h}\right)}^2{l}^{2}cos\mathrm{\θ}}{4{\mathrm{\πd}}^2};$

式中：w为摄像机的可视角；l为摄像机与交点的距离；θ为交点法向与采样方向的夹角；d为交点与绘制点的距离；h为当前屏幕分辨率的像素高度值；

立体角Ω_s在屏幕空间中所占据的像素数量N_p依据下式计算：

$N_p=\frac{{\mathrm{\Ω}}_s}{{\mathrm{\Ω}}_p};$

采样方向在屏幕空间中对应的Mip-Map级别l_m依据下式计算：

$l_m=max(\frac{1}{2}{\log }_2{N}_p,0).$

(5)利用步骤(4)所得Mip-map级别对步骤(2)中的Mip-map纹理进行Mip-map采样，得到求和后的某一区域内目标场景几何点的法向量与相应的vMF分布函数参数的乘积，利用该乘积计算该区域的材质所对应的BRDF函数的参数，所述区域为采样方向对应的立体角投影到目标场景所形成的区域。

步骤(5)中，计算区域的材质BRDF函数的参数的方法如下：

5-1、利用下式在区域内拟合得到vMF分布函数的r_i-mean参数，

$r_{i-mean}=\frac{2}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\left|\right|r_j\left|\right|n_{j}cos(n_j,p)-\frac{p}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\left|\right|r_j\left|\right|$

式中，M为投影区域内包含的像素数量；

r_j为几何点j对应的vMF分布函数的轴向；

n_j为几何点j的法向向量；

p为出射方向即当前重要性采样方向的反方向；

5-2、利用下式计算得到vMF分布函数对应的BRDF函数参数μ_i-mean和κ_i-mean：

${\mathrm{\μ}}_{i-mean}=\frac{r_{i-mean}}{\left|\right|r_{i-mean}\left|\right|}$

${\mathrm{\κ}}_{i-mean}=\frac{3\left|\right|r_{i-mean}\left|\right|-\left|\right|r_{i-mean}|{|}^3}{1-\left|\right|r_{i-mean}|{|}^2}.$

(6)在不同的光照环境下，利用每个屏幕空间像素点对应的目标场景颜色、以及相应材质所对应的BRDF函数的参数，计算采样方向的光照结果。

步骤(6)中的光照环境可以采用环境映射贴图或离散点光源，如果采用环境映射贴图，则预先利用选定的BRDF函数计算得到不同材质的高光系数，以及相应材质在不同的采样方向下，在该环境映射贴图中的光照结果列表，利用采样方向和步骤(5)获得的BRDF函数的参数在该列表中查找，得到采样方向的光照结果；如果采用离散点光源，基于步骤(5)获得的BRDF函数的参数，利用选定的BRDF函数计算采样方向的光照结果。

(7)将计算得到的各采样方向的光照结果按照重要性采样权重进行加权求和，并依据求和结果对目标场景进行渲染。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种具有实时性能的间接高光计算技术，结合屏幕空间相关技术的优势，基于屏幕空间进行间接高光的计算，将区域材质的BRDF函数参数的拟合计算转移到一个新的线性计算空间，使得在保持高效率运算的同时，大幅度提升了目标场景的绘制结果，与SSDO方法相比，本发明在不损失性能的前提下，大大提高了间接高光光照计算的准确度，获得更佳的渲染效果。

附图说明

图1为本发明基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法，包括以下步骤：

(1)对目标场景进行初步渲染，得到摄像机视角下，每个屏幕空间像素点对应的目标场景颜色、目标场景中每个几何点的空间位置和法向向量。

基于延迟渲染框架对当前需要渲染的摄像机视角的目标场景进行渲染，使用MRT(multiplerendertargets)方法将目标场景的几何纹理(几何点的空间位置，几何点的法线方向，深度)、材质(BRDF高光系数)以及每个像素点的颜色信息保存到相应的纹理缓存中，以供后续步骤使用。

(2)每个屏幕空间像素点对应目标场景中的一个几何点，该几何点的材质使用vMF分布函数表示的BRDF函数表达，利用各个几何点的法向量与相应的vMF分布函数参数的乘积构建Mip-map纹理。

额外建立一张覆盖屏幕空间的纹理，纹理的每个像素存储该点对应于几何场景几何点的法向量与对应材质的BRDF函数参数的乘积，BRDF函数对应的vMF分布函数(vonMises-Fishderdistribution)参数||r||利用以下方法获得。

vMF(vonMises-Fishderdistribution)是一个概率密度分布函数，描述的是在给定主轴方向μ以后，求方向s的概率分布γ(s)：

γ(s)＝c(κ)e^κ(μs)

其中，κ是所需要描述的BRDF函数宽度的倒数，越高的κ表示方向越集中。

是归一化因子，sinh是双曲正弦函数，除了c(κ)以外，vMF分布和球面高斯(SphericalGaussian)分布是完全一样的。

当κ远大于1时，vMF近似为以下形式：

$\mathrm{\γ}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\κ}}{2\mathrm{\π}}{e}^{\mathrm{\κ}\left(\mathrm{\μ}s-1\right)}.$

将由γ(κ,s)表示的vMF分布函数，重新表示为||r||的分布函数γ(||r||)，假设有一组方向s_i，i∈[1，M]是由一个vMF分布函数γ(s)中产生的一组方向，M为投影区域内包含的像素数量，通过计算非归一化的平均方向来逆向估算该vMF分布函数的参数，r指向了对应BRDF函数的平均方向，也即该vMF分布的轴向，而||r||则表明了该平均方向的长度，也即相应BRDF函数的宽度。

若已知κ，则可以利用如下公式对vMF分布函数中的||r||进行求解：

||r||³-κ||r||²-3||r||+κ＝0。

获得表示每个像素点材质的以||r||为参数的vMF分布函数之后，将每个像素点对应的||r||值和当前像素点对应的法向n的向量值相乘并存储在纹理缓存中，针对像素点j，TexPix＝||r_j||n_j。

(3)依据每个屏幕空间像素点对应的目标场景颜色、目标场景中每个几何点的空间位置和法向向量、以及Mip-map纹理在屏幕空间进行绘制，对于每个绘制点，依据相应的材质信息使用重要性采样方法生成入射光线的采样方向，沿着每个采样方向使用光线追踪技术在屏幕空间中计算得到每个采样方向与目标场景的交点。

进行光线追踪时，沿着光线方向以一定步长前进直至遇到和目标场景的交点，如果超过阈值或者超出屏幕范围，则认为没有交点，如果没有交点，则利用现有技术将该采样方向直接与环境光或者离散点光源进行光照计算，并整合到最终的权重计算中；如果存在交点，则继续进行以下步骤。

(4)对于每个交点，利用重要性采样权重计算该采样方向所对应的立体角的大小，并依据立体角的大小和摄像机与交点的距离，计算该采样方向在屏幕空间中对应的Mip-map级别。

重要性采样公式如下：

$L(p\→s_o)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{\mathrm{\ρ}(p,s_i,s_o)L(s_i\→p)}{p(s_i,s_o)}$

式中：N为重要性采样的样本个数；

p(s_i,s_o)为每个样本的对应PDF概率，(s_i,s_o)为该PDF函数的参数，其中s_i是入射方向，s_o是出射方向；

p为当前渲染点；

L为p点从方向s_i入射的光照信息。

对于半球面使用重要性采样获得的每个方向，立体角大小采用下式计算：

${\mathrm{\Ω}}_s=\frac{1}{N\·p(s_i,s_o)}$

式中：Ω_s为立体角；N为进行重要性采样的样本数量；p(s_i,s_o)为每个样本的对应PDF概率，(s_i,s_o)为构成立体角的两个边界的方向向量。

步骤(4)中计算Mip-map级别的方法如下：

首先可以通过位置信息获得摄像机与交点的距离l，如果摄像机的可视角为w,那么交点处一个像素对应于渲染点(即绘制点)的立体角Ω_p大小(一个屏幕空间的像素点对应于目标场景中的一个区域，这个区域对于当前渲染点所构成的立体角大小就是Ω_p)是：

${\mathrm{\Ω}}_p=\frac{{\left(\frac{w}{h}\right)}^2{l}^{2}cos\mathrm{\θ}}{4{\mathrm{\πd}}^2};$

式中：w为摄像机的可视角；l为摄像机与交点的距离；θ为交点法向与采样方向的夹角；d为交点与绘制点的距离(在Ray-Marching过程中可以直接获得)；h为当前屏幕分辨率的像素高度值；

立体角Ω_s在屏幕空间中所占据的像素数量N_p依据下式计算：

$N_p=\frac{{\mathrm{\Ω}}_s}{{\mathrm{\Ω}}_p};$

采样方向在屏幕空间中对应的Mip-Map级别l_m依据下式计算：

$l_m=max(\frac{1}{2}{\log }_2{N}_p,0).$

(5)利用步骤(4)所得Mip-map级别对步骤(2)中的Mip-map纹理进行Mip-map采样，得到求和后的某一区域内目标场景几何点的法向量与相应的vMF分布函数参数的乘积，利用该乘积计算该区域的材质所对应的BRDF函数的参数，区域为采样方向对应的立体角投影到目标场景所形成的区域。

对各区域进行Mip-map采样，获得各种纹理缓存在该区域内Mip-map采样后的数据，然后利用下式在对应区域内拟合vMF分布函数的r_i-mean参数，

$r_{i-mean}=\frac{2}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\left|\right|r_j\left|\right|n_{j}cos(n_j,p)-\frac{p}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\left|\right|r_j\left|\right|$

式中，式中，M为投影区域内包含的像素数量；

r_j为几何点j对应的vMF分布函数的轴向；

n_j为几何点j的法向向量；

p为出射方向即当前重要性采样方向的反方向。

获得r_i-mean参数后，利用下式计算得到vMF分布函数对应的BRDF函数参数：

${\mathrm{\μ}}_{i-mean}=\frac{r_{i-mean}}{\left|\right|r_{i-mean}\left|\right|}$

${\mathrm{\κ}}_{i-mean}=\frac{3\left|\right|r_{i-mean}\left|\right|-\left|\right|r_{i-mean}|{|}^3}{1-\left|\right|r_{i-mean}|{|}^2}.$

μ_i-mean为vMF分布函数的主轴方向；

κ_i-mean为BRDF函数宽度的倒数。

本发明将BRDF函数的拟合转移到了一个线性空间中进行计算，而线性空间的加权平均计算可以直接使用纹理的Mip-Map操作完成。

(6)在不同的光照环境下，利用每个屏幕空间像素点对应的目标场景颜色、以及相应材质所对应的BRDF函数的参数，计算采样方向的光照结果。

不同的光照环境可以采用环境映射贴图实现，也可以采用离散点光源，如果采用环境映射贴图，在渲染前对该环境映射贴图进行预过滤，预过滤流程为：采用选定的BRDF函数计算得到一张列表，列表中存储的是不同材质的高光系数以及不同采样方向下在该环境映射贴图中的光照结果。在进行步骤(6)的光照结果计算时，使用采样方向和步骤(5)的BRDF函数的参数信息，在列表中直接查找得到相应采用方向下的光照结果。

如果采用离散点光源，使用期望的光照模型，基于步骤(5)获得的BRDF函数的参数，利用选定的BRDF函数计算采样方向的光照结果。

(7)将计算得到的各采样方向的光照结果按照重要性采样权重进行加权求和，并依据求和结果对目标场景进行渲染。

Claims (5)

1.一种基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对目标场景进行初步渲染，得到摄像机视角下，每个屏幕空间像素点对应的目标场景颜色、目标场景中每个几何点的空间位置和法向向量；

(2)每个屏幕空间像素点对应目标场景中的一个几何点，该几何点的材质使用vMF分布函数表示的BRDF函数表达，利用各个几何点的法向量与相应的vMF分布函数参数的乘积构建Mip-map纹理；

(3)依据每个屏幕空间像素点对应的目标场景颜色、目标场景中每个几何点的空间位置和法向向量、以及Mip-map纹理在屏幕空间进行绘制，对于每个绘制点，依据该绘制点的材质信息使用重要性采样方法生成入射光线的采样方向，沿着每个采样方向使用光线追踪技术在屏幕空间中计算得到每个采样方向与目标场景的交点；

(4)对于每个交点，利用重要性采样权重计算该采样方向所对应的立体角大小，并依据立体角大小和摄像机与交点的距离，计算该采样方向在屏幕空间中对应的Mip-map级别；

(5)利用步骤(4)所得Mip-map级别对步骤(2)中的Mip-map纹理进行Mip-map采样，得到求和后的某一区域内目标场景几何点的法向量与相应的vMF分布函数参数的乘积，利用该乘积计算该区域的材质所对应的BRDF函数的参数，所述区域为采样方向对应的立体角投影到目标场景所形成的区域；

(6)在不同的光照环境下，利用每个屏幕空间像素点对应的目标场景颜色、以及相应材质所对应的BRDF函数的参数，计算采样方向的光照结果；

(7)将计算得到的各采样方向的光照结果按照重要性采样权重进行加权求和，并依据求和结果对目标场景进行渲染。

2.如权利要求1所述的基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法，其特征在于，步骤(4)中，利用重要性采样权重计算该采样方向所对应的立体角大小的公式如下：

${\mathrm{\Ω}}_s=\frac{1}{N\·p(s_i,s_o)}$

式中：Ω_s为立体角；N为进行重要性采样的样本数量；p(s_i,s_o)为每个样本的对应PDF概率，(s_i,s_o)为该PDF函数的参数，其中s_i是入射方向，s_o是出射方向。

3.如权利要求1所述的基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法，其特征在于，步骤(4)中计算Mip-map级别的方法如下：

某一交点处一个像素对应于渲染点的立体角大小为

${\mathrm{\Ω}}_p=\frac{{\left(\frac{W}{h}\right)}^2{l}^{2}cos\mathrm{\θ}}{4{\mathrm{\πd}}^2};$

式中：w为摄像机的可视角；l为摄像机与交点的距离；θ为交点法向与采样方向的夹角；d为交点与渲染点的距离；h为当前屏幕分辨率的像素高度值；

立体角Ω_s在屏幕空间中所占据的像素数量N_p依据下式计算：

$N_p=\frac{{\mathrm{\Ω}}_s}{{\mathrm{\Ω}}_p};$

采样方向在屏幕空间中对应的Mip-Map级别l_m依据下式计算：

$l_m=max(\frac{1}{2}{\log }_2{N}_p,0).$

4.如权利要求1所述的基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法，其特征在于，步骤(5)中，计算区域的材质BRDF函数的参数的方法如下：

5-1、利用下式在区域内拟合得到vMF分布函数的r_i-mean参数，

$r_{i-mean}=\frac{2}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\left|\right|r_j\left|\right|n_{j}cos(n_j,p)-\frac{p}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}\left|\right|r_j\left|\right|$

式中，M为投影区域内包含的像素数量；

r_j为几何点j对应的vMF分布函数的轴向；

n_j为几何点j的法向向量；

p为当前重要性采样方向的反方向；

5-2、利用下式计算得到vMF分布函数对应的BRDF函数参数μ_i-mean和κ_i-mean：

${\mathrm{\μ}}_{i-mean}=\frac{r_{i-mean}}{\left|\right|r_{i-mean}\left|\right|}$

${\mathrm{\κ}}_{i-mean}=\frac{3\left|\right|r_{i-mean}\left|\right|-\left|\right|{r_i}_{-mean}|{|}^3}{1-\left|\right|r_{i-mean}|{|}^2}.$

5.如权利要求1所述的基于在屏幕空间计算间接反射高光的渲染方法，其特征在于，步骤(6)中的光照环境如果采用环境映射贴图，则预先利用选定的BRDF函数计算得到不同材质的高光系数，以及相应材质在不同的采样方向下，在该环境映射贴图中的光照结果列表，利用采样方向和步骤(5)获得的BRDF函数的参数在该列表中查找，得到采样方向的光照结果；

步骤(6)中的光照环境如果采用离散点光源，基于步骤(5)获得的BRDF函数的参数，利用选定的BRDF函数计算采样方向的光照结果。