CN106327567B - 一种在实时渲染系统中模拟ies精确光照的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在实时渲染系统中模拟IES精确光照的方法，摒弃了传统的贴图烘焙方法，通过对IES文件中角度及光照强度数据的提取与预处理，在模拟IES文件所反映出的光照曲线的情况下计算出实时光照参数，应用求解出的实时光照参数到实时渲染系统的固定管线光照或与固定管线相同的可编程着色器光照模型，形成实时照明。

Description

一种在实时渲染系统中模拟IES精确光照的方法

技术领域

本发明涉及灯光仿真渲染方法，尤其涉及一种在实时渲染系统中模拟IES精确光照的方法。

背景技术

目前通用的精确IES光照一般使用烘焙贴图的方法，即根据IES文件保存的光照物理数据，计算出影响范围内的每个点得亮度，将这些亮度加成到三维模型的表面材质中作为光照贴图。此种方法渲染模拟出的效果较为准确，但烘焙时间过长，无法实现实时渲染，并且额外增加了纹理资源的负载。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种在实时渲染系统中模拟IES精确光照的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种在实时渲染系统中模拟IES精确光照的方法，包括以下步骤：

S1、读取光源的IES文件中大于等于0的N+1个位置的光照角度A[i](i＝0,…,N)及其对应的光照强度数据I[i](i＝0,…,N)，并将光照强度数据规范化为等光强的距离因子D[i](i＝0,…,N)；

S2、求解等光强的距离因子D[i]在极坐标中的X轴分量集dx[i]与Y轴分量集dy[i]，并找出X轴分量集dx[i]中的最大值dx[m]，则有，

dx[i]＝D[i]*sin(A[i]),(i＝0,…,N) 式1)

dy[i]＝D[i]*cos(A[i]),(i＝0,…,N) 式2)

dx[m]＝max(dx[i]),(i＝0,…,N；0<m<N) 式3)；

S3、对所述X分量集dx[i]及Y轴分量集dy[i]作归一化处理，获得X轴分 量集的单位根集d′x[i]及Y轴分量集的单位根集d′y[i]，则有，

S4、分别累加所述单位根集d′x[i]及d′y[i]，获得点坐标(X，Y)，则有，

S5、求解点坐标(X，Y)与坐标轴X＝0的夹角θ的余弦值，则有，

S6、对光源进行分类：寻找光照角度A[i]中的最大角度值

当

时，将光源视为聚光灯模型；当

但D[n]≠D[0]时，仍将光源仍视为聚光灯模型，将θ与

分别作为聚光灯的内角与外角；当

且D[n]＝D[0]时则将光源视为点光源模型；

S7、根据光源的分类求解对应的光照参数：

对于点光源模型，其光照表达式为

对于聚光灯模型，其光照表达式为

式中，c为衰减常数，l为一次系数，q为二次系数，θ为内角，

为外角，d为距离，a为主光轴夹角，

不失一般性，令

定义IES文件中光照强度数据最大时，其光强强度P＝1，随着光照强度的递减，光强强度线性衰减，则P＝1时，c+l*d+q*d²＝K，根据步骤2中dx[m]的下标m,取对应位置的距离因子D[m]和光照角度A[m]，及坐标原点的距离因子D[0]和光照角度A[0]代入方程联立方程组：

当为聚光灯模型时，代入步骤S6中的θ与

值；

将一次系数l的取值范围0<l<1代入式10中求出C的取值范围[min,max]，取

代入式10中，求得l与q的值；

设定阙值Pmin作为光强影响最小值，代入式9中，求出此时的距离因子D[r](D[r]>D[0])，则该距离因子D即为光照影响范围；

S8、发送步骤S7中求解出的光照参数到实时渲染系统的固定渲染管线或可编程渲染管线中，实时模拟出IES文件所描述的精确光照效果。

优选地，所述步骤S7中的阙值为0.001。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：在不增加纹理资源和GPU纹理寄存器负载的条件下，通过提取IES文件中保存的灯光数据，计算出实时渲染系统中固定渲染管线或可编程渲染管线光照模型的光照参数，从而模拟出接近IES文件描述的精确光照效果，无需烘焙，快捷高效，实现了渲染的实时化。

附图说明

图1为某IES文件记载的角度-光照强度数据绘制的极坐标上的配光曲线；

图2为使用贴图烘焙的方式模拟出的光源渲染效果图；

图3为本发明算法模拟出的光源渲染效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

一种在实时渲染系统中模拟IES精确光照的方法，包括以下步骤：

S1、读取光源的IES文件中大于等于0的N+1个位置的光照角度A[i] (i＝0,…,N)及其对应的光照强度数据I[i](i＝0,…,N)，并将光照强度数据规范化为等光强的距离因子D[i](i＝0,…,N)；

本发明主要适用于对称光源或可被认为是对称的光源的光照模拟，如下所示的是从某一IES文件中提取的角度-辐射度对应数据：

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 5152 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 7778 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90---极坐标0到90度

1090 1085 1074 1060 1040 1015 986.1 952.3 915 875.6 835.5 795.4 755.3714.7 675.1 636 597 559.8 523.3 488.6 455.3 423.3 392.7 362.3 331.6 300.3269.5 240.3 212.4 186 162.1 140.3 120.5 102.5 87 74.1 62.87 53.24 44.89 37.6931.51 26.19 21.93 18.5 15.78 13.64 11.94 10.62 9.714 8.698 6.359 4.907 4.2413.671 3.108 2.634 2.272 1.911 1.625 1.31 1.133 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0---上述角度对应的光照强度数据

可以看出，该IES文件中没有从0度到-90的角度及对应的光照强度数据，则默认该光源为对称光源，即0度到-90度的光照强度数据与0到90度的光照强度数对应，提取光照角度从0-90度的数据便可进行计算，下表即为根据该IES文件列出的角度-辐射度的对应表

0	1	2	3	4	…	86	87	88	89	90
											1090	1085	1074	1060	1040	省略	0	0	0	0	0

S2、求解等光强的距离因子D[i]在极坐标中的X轴分量集dx[i]与Y轴分量集dy[i]，并找出X轴分量集dx[i]中的最大值dx[m]，则有，

dx[i]＝D[i]*sin(A[i]),(i＝0,…,N) 式1)

dy[i]＝D[i]*cos(A[i]),(i＝0,…,N) 式2)

dx[m]＝max(dx[i]),(i＝0,…,N；0<m<N) 式3)；

如图1所示的是根据该IES文件记载的角度-光照强度数据绘制的极坐标上的配光曲线，可以看出该配光曲线呈纺锥形。为便于理解，可将该纺锥形曲线等同于一条钢丝圈，要将钢丝圈拉扯出该纺锥形曲线的形态可将钢丝圈的一端固定(即图中的坐标原点)后向下拉扯，则当其在X轴上最大的值被确定的时候，钢丝圈所拉扯出的形状便也随之确定。因此，步骤S2的意义便在于寻找出极坐标图像中最能表征其配光曲线特征的点dx[m]，以该IES文件为例，即为图1中所示20度左右对应光照强度为500的点。

S3、对所述X分量集dx[i]及Y轴分量集dy[i]作归一化处理，获得X轴分量集的单位根集d′x[i]及Y轴分量集的单位根集d′y[i]，则有，

由该IES文件的角度-辐射度对应数据及图1可以看出，在接近坐标原点的位置有许多方向平行于X轴的微小向量(即原点附近的角度-光照强度对应值)，其对配光曲线在X轴上存在着拉扯作用。由于其向量长度极小，考虑向量长度的话会导致配光曲线的开口狭小而失真，模拟效果差，因此步骤S3的意义在于去除这些微小向量的长度影响，只留下向量的方向作为参照，从而实现在光照外形在被保留的情况下计算出实时光照参数。由于X分量集dx[i]作了归一化处理，对应地，Y轴分量集dy[i]也需作归一化处理。

S4、分别累加所述单位根集d′x[i]及d′y[i]，获得点坐标(X，Y)，则有，

S5、求解点坐标(X，Y)与坐标轴X＝0的夹角θ的余弦值，则有，

S6、对光源进行分类：寻找光照角度A[i]中的最大角度值

当

时，将光源视为聚光灯模型；当

但D[n]≠D[0]时，仍将光源仍视为聚光灯 模型，将θ与

分别作为聚光灯的内角与外角；当

且D[n]＝D[0](即首尾的距离因子相同)时则将光源视为点光源模型；

在该IES文件中，最大角度值即为90°，因此该光源为聚光灯模型。

S7、根据光源的分类求解对应的光照参数：

对于点光源模型，其光照表达式为

对于聚光灯模型，其光照表达式为

式中，c为衰减常数，l为一次系数，q为二次系数，θ为内角，

为外角，d为距离，a为主光轴夹角，

不失一般性，令

定义IES文件中光照强度数据最大时，其光强强度P＝1，随着光照强度的递减，光强强度线性衰减，则P＝1时，c+l*d+q*d²＝K，根据步骤2中dx[m]的下标m,取对应位置的距离因子D[m]和光照角度A[m]，及坐标原点的距离因子D[0]和光照角度A[0]代入方程联立方程组：

当为聚光灯模型时，代入步骤S6中的θ与

值；

将一次系数l的取值范围0<l<1代入式10中求出C的取值范围[min,max]，取

代入式10中，求得l与q的值；

设定阙值Pmin作为光强影响最小值，本实施例中设定阙值为0.001,代入式9中，求出此时的距离因子D[r](D[r]>D[0])，则该距离因子D即为光照影响范围；

此时，计算机已完成光照参数的求解，如为聚光灯模型，则求解的参数有：衰减范围r，衰减常数c，一次系数l，二次系数q，内角θ，外角

如为点光源模型，求解的参数有：衰减范围r，衰减常数c,一次系数l,二次系 数q。

S8、发送步骤S7中求解出的光照参数到实时渲染系统的固定渲染管线或可编程渲染管线中，实时模拟出IES文件所描述的精确光照效果。

图2为使用背景技术中所述的贴图烘焙的方式对文中所述IES文件实现的光源渲染效果图，其光照效果接近真实，图3为使用本发明采用新算法的实时渲染系统对文中IES文件所模拟出的光源渲染效果图，可以看出，本发明的渲染效果接近图2的光源渲染效果，其牺牲了一定程度的准确性，但其在渲染时的高效性是贴图烘焙方式所不能比拟的，在需要快速渲染的场景(如室内设计时的灯具选型，现场展示)具有更强的实用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种在实时渲染系统中模拟IES精确光照的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算机读取目标光源的IES文件中大于等于0的N+1个位置的光照角度A[i]，i＝0，...，N，及其对应的光照强度数据I[i]，i＝0，...，N，并将光照强度数据规范化为等光强的距离因子D[i]，i＝0，...，N；

S2、求解等光强的距离因子D[i]在极坐标中的X轴分量集dx[i]与Y轴分量集dy[i]，并找出X轴分量集dx[i]中的最大值dx[m]，则有，

dx[i]＝D[i]*sin(A[i])，i＝0，...，N 式1)

dy[i]＝D[i]*cos(A[i])，i＝0，...，N 式2)

dx[m]＝max(dx[i])，i＝0，...，N；0＜m＜N 式3)；

S3、对所述X轴分量集dx[i]及Y轴分量集dy[i]作归一化处理，获得X轴分量集的单位根集d′x[i]及Y轴分量集的单位根集d′y[i]，则有，

S4、分别累加所述单位根集d′x[i]及d′y[i]，获得点坐标(X，Y)，则有，

S5、求解点坐标(X，Y)与坐标轴X＝0的夹角θ的余弦值，则有，

S6、对光源进行分类：寻找光照角度A[i]中的最大角度值

当

时，将光源视为聚光灯模型；当

但D[N]≠D[0]时，仍将光源仍视为聚光灯模型，将θ与

分别作为聚光灯的内角与外角；当

且D[N]＝D[0]时则将光源视为点光源模型；

S7、根据光源的分类求解对应的光照参数：

对于点光源模型，其光照表达式为

对于聚光灯模型，其光照表达式为

式中，c为衰减常数，l为一次系数，q为二次系数，θ为内角，

为外角，d为距离，a为主光轴夹角，

不失一般性，令

定义IES文件中光照强度数据最大时，其光强强度P＝1，随着光照强度的递减，光强强度线性衰减则P＝1时，c+l*d+q*d²＝K，根据步骤2中dx[m]的下标m，取对应位置的距离因子D[m]和光照角度A[m]，及坐标原点的距离因子D[0]和光照角度A[0]代入方程联立方程组：

当为聚光灯模型时，代入步骤S6中的θ与

值；

将一次系数l的取值范围0＜l＜1代入式10中求出C的取值范围[min，max]，取

代入式10中，求得l与q的值；

设定阈值Pmin作为光强影响最小值，代入式9中，求出此时的距离因子D[r](D[r]＞D[0])，则该距离因子D即为光照影响范围；

S8、发送步骤S7中求解出的光照参数到实时渲染系统的固定渲染管线或可编程渲染管线中，实时模拟出IES文件所描述的精确光照效果。

2.根据权利要求1所述的一种在实时渲染系统中模拟IES精确光照的方法，其特征在于：所述步骤S7中的阈值为0.001。

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