CN108537869B - 一种基于级联纹理的圆锥追踪动态全局光照方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联纹理的圆锥追踪动态全局光照方法，属于图形实时渲染领域。具体包括：(1)构建级联纹理与稀疏八叉树结合的结构，并将场景体素化，将场景根据视角范围内远近距离关系划分等级，对于不同等级选取不同的存储结构分批体素化；(2)使用改进的圆锥滤波器为每个体素注入光信息；(3)在屏幕空间内通过圆锥追踪采样，将照明信息填充了直接照明缓冲区，然后利用改进的圆锥滤波器，从每个像素的世界空间位置进行几次圆锥追踪，获得间接照明；(4)采用一种有针对性的动态体素更新方法更新级联纹理。提出一种有针对性的动态体素更新方法，有效地实现图形渲染的真实感需求，极大的提高渲染效率，达到实时性。

Description

一种基于级联纹理的圆锥追踪动态全局光照方法

技术领域

本发明属于图形实时渲染领域，具体涉及一种基于级联纹理的圆锥追踪动态全局光照方法。

背景技术

伴随着VR/AR技术的兴起，电子游戏、3D电影、全息投影等应用技术得到迅速的发展，密切的与人类的日常生活相结合。人类从来都不是一种缺乏想象力的动物，我们从未停止对虚拟世界的刻画和构建。现如今，3D大片越来越震撼人心，虚拟现实体验也慢慢走近人们的生活，AR技术不仅在春晚等舞台上大放异彩，还受到了社会各界乃至政府的高度关注。可以说VR/AR技术正在逐渐改变人类的生活方式。

对于这些媒体技术来说，图形渲染可以说是最为重要的一个环节，这不仅仅是因为这些技术都是通过光影和色彩的组合来吸引人们，还在于人类感知世界的主要手段就是通过视觉。而对于图形渲染技术，真实感和实时性是衡量其表现的主要手段，还是制约VR/AR技术发展的主要瓶颈。真实感渲染技术能够通过模拟物理反应，表示出各种非常逼真的反应和效果，如爆炸、水流、粒子反应等等。并且实时渲染技术在游戏等领域有着非常广泛的应用。对于VR/AR技术来说，真实感和实时性都显得十分重要。通过真实感和实时渲染技术，能够实时模拟出十分真实的光影效果，从而带给人们更完美的体验和更高的沉浸感。

人类模拟现实中的光影效果主要是通过基于光物理传输的全局光照模型来实现的，如光线跟踪、光路径跟踪、辐射度算法和光子映射等等。Jim Kajiya在1986年首次提出渲染方程，从理论上叙述了渲染的组成、目标及形式。2007年，Crytek提出首个屏幕空间环境光遮蔽算法。2010年，Crytek提出首个动态全局光照算法，后又优化成Cascaded LPV。Crassin等人在2011年提出了圆锥体素追踪算法(voxel cone tracing，VCT)，是一种不需要预计算的动态全局光照算法，结果比LPV算法更优。它支持多种不同的间接光照，包括镜面反射和环境光遮蔽。这种算法利用一种近似计算的思想，尽可能模拟物理光照的变化过程，能够达到较好的光照效果，而且具备很高的实时性。但是这个方法也有不足，首先由于需要将场景体素化并存储于一个稀疏八叉树中，这个过程比较费时间，而且体素的表示方法会占用很大的内存空间，文章中通过使用稀疏八叉树来解决这个问题。但是这种方法并不一定是适应GPU性能最好的方法，仍然可以改进。其次，算法中滤波的过程是通过近似计算实现的，效率并不完美，还有很多优化的空间。

总结现有研究成果发现，目前动态全局光照研究面临如下关键问题亟需解决：

现存算法在真实感和实时性这两方面无法达到平衡，需要一种能够兼具真实感而且能够满足实时性的动态全局光照算法；

已有的全局光照算法有一定的局限性，在室外场景表现力不足，效率不高，实时性有待提升。

发明内容

本发明的目的在于提供有效地实现图形渲染的真实感需求，极大的提高渲染效率，达到实时性的一种基于级联纹理的圆锥追踪动态全局光照方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种基于级联纹理的圆锥追踪动态全局光照方法，包括以下步骤：

步骤1：构建级联纹理与稀疏八叉树结合的结构，并将场景体素化。

步骤2：使用改进的圆锥滤波器向数据结构中注入直接光照。

步骤3：在屏幕空间内通过圆锥追踪采样。

步骤4：级联纹理的更新。

在本发明中，将积分划分为n个圆锥体，并假设在每个锥中传入的光辐射值是常量，这使得可以改写L_i：

对于漫射面，加权数W_k之和为π。圆锥体的入射辐射亮度L_k是通过将圆锥体分裂成连续的元素并进行容积的前后积累获得的。对于有光泽的BRDF，本发明在反射的观察方向上跟踪单个半径较小的的圆锥体。

传统的基于体素的动态全局光照算法一般由以下步骤组成：

步骤1：体素化场景中的三角网格。

步骤2：构建稀疏八叉树结构。

步骤3：向稀疏八叉树中注入直接光照。

步骤4：过滤直接照明以生成mip-map。

步骤5：通过圆锥跟踪采样mip-map映射值。

该算法是在渲染方程的基础上实现的，如下：

L_o(x，ω_o)为点x处在w方向上的光密度。L_e(x，ω_o)为物体自身在点x处发出的光线。f_r(x,ω_i→ω_o)为表面上x处的BRDF，它将从w_i方向上进入到该点的光反射并变换到w_o方向上。L_i(x,ω_i)为从其它物体上的点x处沿w_i方向到达的光线。<N(x),ω_i>⁺表示光线与顶点法向之间的夹角关系，并从当前顶点处向着光线的方向与场景进行相交性测试。积分下标Ω⁺表述了对应的积分空间。BRDF值f_r对于所有对传入和传出方向都是常量。因此，将渲染方程中的表面点x处的反射辐射L_r改写为：

ρ被称为反照率和描述表面的反射率。

本发明的有益效果在于：

提出一种基于多级纹理与稀疏八叉树结合的光照计算加速结构，用来存储动态生成的体素数据集；提出一种优化的圆锥形滤波器来提高滤波时的效率；提出一种有针对性的动态体素更新方法，实现对室外大规模场景数据的实时计算。有效地实现图形渲染的真实感需求，极大的提高渲染效率，达到实时性。

附图说明

图1为级联体素圆锥追踪动态光照方法总流程图；

图2为体素化场景并构建数据结构流程图；

图3为在数据结构中注入直接光照流程图；

图4为在屏幕空间内通过圆锥追踪采样流程图；

图5为级联纹理的更新流程图；

图6为改进的级联纹理圆锥滤波器；

图7为圆锥追踪内部示意图；

图8为使用圆锥追踪近似计算光照的球面积分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

具体实施例一：

本发明提出使用级联纹理(Texture cascades)和稀疏八叉树(SVO)结合的数据结构来存储体素。其中每个体素利用3D G-Buffer存储几何属性信息A＝{a_i,n_i,o_i,e_i}，包括反射率、法线、占有率和辐射。还需设置用于存储直接照明和反射光的缓冲区V-buffer。

基于上述问题的描述，为了实现本发明的目的，本发明采用如下步骤，总流程图如图1：

步骤001.提出级联纹理和稀疏八叉树结合的体素存储结构，针对大规模场景体素数量过大导致稀疏八叉树遍历困难的问题，通过将场景根据视角范围内远近距离关系划分等级，对于不同等级选取不同的存储结构分批体素化，提高了对节点的访问效率，减少了所需的存储空间。

步骤002.针对步骤001的体素化结果，以配合级联纹理和稀疏八叉树结合的数据结构为目的，提出改进的圆锥滤波器，为每个体素注入光信息，提高了采样的准确率。

步骤003.屏幕空间体素的圆锥追踪。通过上面的步骤，已经将照明信息填充了直接照明缓冲区，然后利用改进的圆锥滤波器，从每个像素的世界空间位置进行几次圆锥追踪，获得间接照明。

步骤004.级联纹理的更新。最后，本发明提出一种有针对性的动态体素更新方法，实现对室外场景的大规模数据进行实时计算。

圆锥体素追踪算法是基于一个稀疏的八叉树结构上进行的，针对大规模场景，我们需要一种能够快速地创建出基于体素信息的空间结构。由于稀疏八叉树遍历比较不方便，而且根据它的结构特点，并不适用于大规模场景的体素划分，所以提出使用级联纹理(Texture cascades)和稀疏八叉树(SVO)结合的数据结构来存储体素，以提高对节点的访问效率。

所述步骤001.具体包括如下步骤，具体流程图如图2：

步骤00101.输入场景P。

步骤00102.将场景P按照距离距离视角的相对位置划分级联区域。

步骤00103.利用本发明提出的数据结构设立6个级联等级L1～L6，每个级别存有32³个体素作为纹理单元，每个体素存储6个面的值A。将多个体素单元按照直角坐标系排列，存入一张三维纹理中，x轴为6个面，y方向为6个级联等级。

步骤00104.针对给定场景P，对不同级联等级区域分别进行体素化操作。

步骤00105.使用与体素化细分分辨率u相同的正交投影窗口来渲染三维网格中的每个三角形r_i。

步骤00106.对每个三角形r_i计算出一个投影面积最大的投影矩阵M_i，并在此位置上光栅化，光栅化出的每个像素p_i对应一个该方向上的体素v_i。

步骤00107.在光栅化出的每个像素p_i中利用RWTexture3D方法将该像素对应的体素信息写入3D Texture中。

步骤00108.对六个投影轴方向分别重复步骤00105至步骤00107，得到6张3DTexture。

步骤00109.对其进行合并得到最终的3D Texture，记为Tex。Tex中包含了整个场景的完整体素化结果。

步骤00110.对级联等级L1建立稀疏八叉树T₁。使用自底向上的方法对每八个子结点进行合并来得到它们对应的父结点，父节点组成的八叉树即为T₂，根节点即为T₃。

步骤00111.利用Mipmap原理对Tex生成不同级别的Mipmap，也就相当于得到不同深度下的八叉树结构。

在大规模场景中，距离视点近的空间的光照影响最大，随着距离变远，视点对光照的感知逐渐下降，所以，提出一种级联纹理圆锥滤波器适应这种情况，如图6所示。

所述步骤002.具体包括如下步骤，具体流程图如图3：

步骤00201.对体素化场景数据Tex，在每个体素v_i处定义多个圆锥体。

步骤00202.从16个固定方向上对天空光、点光源和发光材料的直接照明进行采样。

步骤00203.利用改进的圆锥滤波器，在每个圆锥体的外部成组排列多个由圆锥体属性确定的小正方体，如图6所示。

步骤00204.计算出每个小正方体的尺寸信息s。

步骤00205.利用小正方体的位置信息采样所属级联等级或Mipmap的节点值w。

步骤00206.叠加圆锥滤波器上每个小正方体采样的节点值w，作为该圆锥滤波器的采样值，如图7所示。

步骤00207.叠加多个圆锥滤波器的采样值，得到体素v_i处的球面积分数据fi，并存入该体素对应的V-buffer中，如图8所示。

圆锥体滤波器从使用分层体素表示的场景中收集光辐射值通常使用经典的光学发射吸收模型。假设一个漫反射面，BRDF值f_r对于所有对传入和传出方向都是常量。因此，可以将渲染方程中的表面点x处的反射辐射L_r改写为：

ρ被称为反照率和描述表面的反射率。接下来，将积分划分为n个圆锥体，并假设在每个锥中传入的光辐射值是常量，这使得可以改写L_i：

对于漫射面，加权数W_k之和为π。圆锥体的入射辐射亮度L_k是通过将圆锥体分裂成连续的元素并进行容积的前后积累获得的。对于有光泽的BRDF，本发明在反射的观察方向上跟踪单个半径较小的的圆锥体，如图8所示。

所述步骤003.具体包括如下步骤，具体流程图如图4：

步骤00301.取屏幕空间的像素pixel，将其世界坐标记为Posi。

步骤00302.从其世界坐标Posi处取16个固定方向进行圆锥追踪记为cone1。

步骤00303.在cone1过程追踪到的体素直接从V-buffer中取样，并在该体素处重复步骤002进行圆锥追踪记为cone2，得到第一次反射光数据。

步骤00304.在cone2过程追踪到的体素直接从V-buffer中取样，并在该体素处重复步骤002进行圆锥追踪记为cone3，得到第二次反射光数据。

对于步骤004，为了适应动态对象的光照反映，需要对场景进行更新，传统的方法是将场景分为动态和静态两个部分，动态部分改变时，将动态部分的体素化结构删除，重新进行体素化，这个过程一般是一帧进行一次。但是这样往往会造成计算量的急速增大，降低运行的效率，所以，针对人眼观测物体的特点(对近处最敏感，随着距离增大，对世界的感知能力下降)，提出一种改进更新方式，即依据前面所描述的级联纹理的改进八叉树的数据结构，对场景中的体素分级更新，低级别即距离观测点较近的一级更新频率最高，高级别即距离观测点距离较远的级别更新频率较低，通过这种办法降低系统处理节点频率，提高运行的吞吐量和降低了渲染周期。

所述步骤004.具体包括如下步骤，具体流程图如图5：

步骤00401.跟据不同的级联等级L1～L6，设置不同的更新频率，L1为2帧更新一次，L2为4帧更新一次，L3为8帧更新一次，以此类推。

步骤00402.随着视点位置的移动，计算每个级联等级新的中心点c。

步骤00403.将每个体素存储的G-buffer和V-buffer信息沿着移动方向滚动存储。

步骤00404.对于边缘处的体素，使用Mipmap得到近似值。

步骤00405.体素化边缘处的几何体。

具体实施方式二：

一种基于级联纹理的圆锥追踪动态全局光照方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建级联纹理与稀疏八叉树结合的结构，并将场景体素化，将场景根据视角范围内远近距离关系划分等级，对于不同等级选取不同的存储结构分批体素化；

(2)使用改进的圆锥滤波器为每个体素注入光信息；

(3)在屏幕空间内通过圆锥追踪采样，将照明信息填充了直接照明缓冲区，然后利用改进的圆锥滤波器，从每个像素的世界空间位置进行几次圆锥追踪，获得间接照明；

(4)采用一种有针对性的动态体素更新方法更新级联纹理。

所述的步骤(1)具体包括：

(1.1)输入场景P；

(1.2)将场景P按照距离距离视角的相对位置划分级联区域；

(1.3)利用本发明提出的数据结构设立6个级联等级L1～L6，每个级别存有32³个体素作为纹理单元，每个体素存储6个面的值A，将多个体素单元按照直角坐标系排列，存入一张三维纹理中，x轴为6个面，y方向为6个级联等级；

(1.4)针对给定场景P，对不同级联等级区域分别进行体素化操作；

(1.5)使用与体素化细分分辨率u相同的正交投影窗口来渲染三维网格中的每个三角形r_i，i为正整数；

(1.6)对每个三角形r_i计算出一个投影面积最大的投影矩阵M_i，并在此位置上光栅化，光栅化出的每个像素p_i对应一个该方向上的体素v_i；

(1.7)在光栅化出的每个像素p_i中利用RWTexture3D方法将该像素对应的体素信息写入3D Texture中；

(1.8)对六个投影轴方向分别重复步骤(1.5)至步骤(1.7)，得到6张3D Texture；

(1.9)对其进行合并得到最终的3D Texture，记为Tex，Tex中包含了整个场景的完整体素化结果；

(1.10)对级联等级L1建立稀疏八叉树T₁，使用自底向上的方法对每八个子结点进行合并来得到它们对应的父结点，父节点组成的八叉树即为T₂，根节点即为T₃；

(1.11)利用Mipmap原理对Tex生成不同级别的Mipmap，也就相当于得到不同深度下的八叉树结构。

所述的步骤(2)具体包括：

(2.1)对体素化场景数据Tex，在每个体素v_i处定义多个圆锥体；

(2.2)从16个固定方向上对天空光、点光源和发光材料的直接照明进行采样；

(2.3)利用改进的圆锥滤波器，在每个圆锥体的外部成组排列多个由圆锥体属性确定的小正方体；

(2.4)计算出每个小正方体的尺寸信息s；

(2.5)利用小正方体的位置信息采样所属级联等级或Mipmap的节点值w；

(2.6)叠加圆锥滤波器上每个小正方体采样的节点值w，作为该圆锥滤波器的采样值；

(2.7)叠加多个圆锥滤波器的采样值，得到体素v_i处的球面积分数据fi，并存入该体素对应的V-buffer中。

所述的步骤(3)具体包括：

(3.1)步骤00301.取屏幕空间的像素pixel，将其世界坐标记为Posi；

(3.2)从其世界坐标Posi处取16个固定方向进行圆锥追踪记为cone1；

(3.3)在cone1过程追踪到的体素直接从V-buffer中取样，并在该体素处重复步骤(2)进行圆锥追踪记为cone2，得到第一次反射光数据；

(3.4)在cone2过程追踪到的体素直接从V-buffer中取样，并在该体素处重复步骤(2)进行圆锥追踪记为cone3，得到第二次反射光数据。

所述的步骤(4)具体包括：

(4.1)根据不同的级联等级L1～L6，设置不同的更新频率，L1为2帧更新一次，L2为4帧更新一次，L3为8帧更新一次，L4为16帧更新一次，L5为32帧更新一次，L6为64帧更新一次；

(4.2)随着视点位置的移动，计算每个级联等级新的中心点c；

(4.3)将每个体素存储的G-buffer和V-buffer信息沿着移动方向滚动存储；

(4.4)对于边缘处的体素，使用Mipmap得到近似值；

(4.5)体素化边缘处的几何体。

本方法建立在如下渲染方程上：

L_o(x，ω_o)＝L_e(x，ω_o)+L_r(x，ω_o)

其中，L_o(x，ω_o)为点x处在w方向上的光密度，L_e(x，ω_o)为物体自身在点x处发出的光线，L_r(x，ω_o)为表面点x处的反射辐射，f_r(x,ω_i→ω_o)为表面上x处的BRDF，<N(x),ω_i>⁺表示光线与顶点法向之间的夹角关系，积分下标Ω⁺表述了对应的积分空间，ρ被称为反照率和描述表面的反射率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于级联纹理的圆锥追踪动态全局光照方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建级联纹理与稀疏八叉树结合的结构，并将场景体素化，将场景根据视角范围内远近距离关系划分等级，对于不同等级选取不同的存储结构分批体素化；每个体素利用3DG-Buffer存储几何属性信息A＝{a_i,n_i,o_i,e_i}，包括反射率、法线、占有率和辐射；设置用于存储直接照明和反射光的缓冲区V-buffer；

所述的步骤(1)具体包括：

(1.1)输入场景P；

(1.2)将场景P按照距离视角的相对位置划分级联区域；

(1.3)利用数据结构设立6个级联等级L1～L6，每个级别存有32³个体素作为纹理单元，每个体素存储6个面的值A，将多个体素单元按照直角坐标系排列，存入一张三维纹理中，x轴为6个面，y方向为6个级联等级；

(1.4)针对给定场景P，对不同级联等级区域分别进行体素化操作；

(1.5)使用与体素化细分分辨率u相同的正交投影窗口来渲染三维网格中的每个三角形r_i，i为正整数；

(1.6)对每个三角形r_i计算出一个投影面积最大的投影矩阵M_i，并在此位置上光栅化，光栅化出的每个像素p_i对应一个该方向上的体素v_i；

(1.7)在光栅化出的每个像素p_i中利用RWTexture3D方法将该像素对应的体素信息写入3D Texture中；

(1.8)对六个投影轴方向分别重复步骤(1.5)至步骤(1.7)，得到6张3D Texture；

(1.9)对其进行合并得到最终的3D Texture，记为Tex，Tex中包含了整个场景的完整体素化结果；

(1.10)对级联等级L1建立稀疏八叉树T₁，使用自底向上的方法对每八个子结点进行合并来得到它们对应的父结点，父节点组成的八叉树即为T₂，根节点即为T₃；

(1.11)利用Mipmap原理对Tex生成不同级别的Mipmap，也就相当于得到不同深度下的八叉树结构；

(2)使用改进的圆锥滤波器为每个体素注入光信息；

所述的步骤(2)具体包括：

(2.1)对体素化场景数据Tex，在每个体素v_i处定义多个圆锥体；

(2.2)从16个固定方向上对天空光、点光源和发光材料的直接照明进行采样；

(2.3)利用改进的圆锥滤波器，在每个圆锥体的外部成组排列多个由圆锥体属性确定的小正方体；

(2.4)计算出每个小正方体的尺寸信息s；

(2.5)利用小正方体的位置信息采样所属级联等级或Mipmap的节点值w；

(2.6)叠加圆锥滤波器上每个小正方体采样的节点值w，作为该圆锥滤波器的采样值；

(2.7)叠加多个圆锥滤波器的采样值，得到体素v_i处的球面积分数据fi，并存入该体素对应的V-buffer中；

(3)在屏幕空间内通过圆锥追踪采样，将照明信息填充了直接照明缓冲区，然后利用改进的圆锥滤波器，从每个像素的世界空间位置进行几次圆锥追踪，获得间接照明；

(4)采用一种有针对性的动态体素更新方法更新级联纹理；

所述的步骤(4)具体包括：

(4.1)根据不同的级联等级L1～L6，设置不同的更新频率，L1为2帧更新一次，L2为4帧更新一次，L3为8帧更新一次，L4为16帧更新一次，L5为32帧更新一次，L6为64帧更新一次；

(4.2)随着视点位置的移动，计算每个级联等级新的中心点c；

(4.3)将每个体素存储的G-buffer和V-buffer信息沿着移动方向滚动存储；

(4.4)对于边缘处的体素，使用Mipmap得到近似值；

(4.5)体素化边缘处的几何体。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联纹理的圆锥追踪动态全局光照方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体包括：

(3.1)取屏幕空间的像素pixel，将其世界坐标记为Posi；

(3.2)从其世界坐标Posi处取16个固定方向进行圆锥追踪记为cone1；

(3.3)在cone1过程追踪到的体素直接从V-buffer中取样，并在该体素处重复步骤(2)进行圆锥追踪记为cone2，得到第一次反射光数据；

(3.4)在cone2过程追踪到的体素直接从V-buffer中取样，并在该体素处重复步骤(2)进行圆锥追踪记为cone3，得到第二次反射光数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于级联纹理的圆锥追踪动态全局光照方法，其特征在于，本方法建立在如下渲染方程上：

L_o(x，ω_o)＝L_e(x，ω_o)+L_r(x，ω_o)

其中，L_o(x，ω_o)为点x处在w方向上的光密度，L_e(x，ω_o)为物体自身在点x处发出的光线，L_r(x，ω_o)为表面点x处的反射辐射，f_r(x,ω_i→ω_o)为表面上x处的BRDF，<N(x),ω_i>⁺表示光线与顶点法向之间的夹角关系，积分下标Ω⁺表述了对应的积分空间，ρ被称为反照率和描述表面的反射率。

Images