CN109961499A - 基于像素块方差的自适应采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于像素块方差的自适应采样方法，将整个图像看成一个大的像素块，对像素块进行误差度量，决定是否分裂、终止或继续采样，依此迭代；通过不断增加采样点，图像会分为很多小的像素块，在图像差异较小的区域，像素块会提前达到收敛阀值而终止采样，而对于场景中差异较大的区域则会获取更多的采样点，直至所有像素块均达到收敛阀值，从而终止该算法。其有效地解决亚像素自适应采样存在的问题，有针对性地对采样数量进行分配，自动识别图像中需要增加采样点的区域，从而自适应地分配采样点，避免对每个像素采用同样的采样数量。在绘制效率以及绘制效果上均有所提高，可以得出图像区域采样重要性分布，准确分配采样点进行图像合成。

Description

基于像素块方差的自适应采样方法

技术领域

本发明涉及一种像素块方差的采样方法，具体涉及一种基于像素块方差的自适应采样方法，属于真实感图形实时渲染技术领域。

背景技术

蒙特卡罗光线追踪是一种基于采样点的图像渲染方法，所以选择不同的采样方式，最终生成图像的质量也不同。由于采样过程中只获取一组有限的样本，场景中的部分信息会丢失，噪声和锯齿效果是不可避免的，这些误差可以通过增加采样点的方式去减少。

上述公式表明采样点N和误差σ是成反比的，采样点的增加可以减少误差。由于图像噪声信号分布不均匀，不是所有的像素都需要相同的采样样本，为了使最终生成的图像更加真实，绘制效果更好，需要根据具体情况分配每个像素对应的采样点。

对于传统的亚像素自适应采样方法，很有可能会形成局部收敛，导致大量过采样现象的出现，此外还会导致BRDF计算困难，以及光线分割复杂度提高。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

基于像素块方差的自适应采样方法，基于蒙特卡罗光线追踪的全局光照绘制方法，包括步骤如下：

S1、以整个图像为初始像素块，以均匀分布N个采样像素点的方式将初始像素块分为N个像素区域，计算像素块方差误差度量eb，

S2、将像素块方差误差度量eb，与预设的分裂阈值vs和终止阈值vt进行比较，比较方式如下：

若eb≥vs，则转入步骤S3；

若vs>eb>vt，则转入步骤S4；

若eb≤vt，则停止对此像素区域增加采样点，停止此像素区域的迭代；

S3、增加d个采样点，以均匀分布(N+d)个采样点的方式将初始像素块分为(N+d)个像素区域，重复步骤S1-S2；

S4、将初始像素块作为母像素块，分裂为两个子像素块，并分别增加d个的采样点，分别计算子像素块方差误差度量eb，并分别重复步骤S1-S2。

上述步骤S1中的终止阀值vt预设值为0.0002，分裂阀值vs预设值为300·vt。

上步骤S1中像素块方差误差度量eb的计算方法，包括以下步骤：

A1、以像素区域为对象，生成缓冲区A和缓冲区B，计算该像素区域内每个像素点的R、G、B颜色分量后，计算方差σ²，公式为：

式(1)中，σ²为像素点p的方差，

A_p ^r为A缓冲区像素点p的RGB值R分量，A_p ^g为A缓冲区像素点p的RGB值G分量，A_p ^b为A缓冲区像素点p的RGB值B分量；且，初始像素块对应的A_p ^r、A_p ^g、A_p ^b的值分别为0；

B_p ^r为B缓冲区像素点p的RGB值R分量，B_p ^g为B缓冲区像素点p的RGB值G分量，B_p ^b为B缓冲区像素点p的RGB值B分量；

A2、计算像素块方差误差度量e_b，公式如下：

式(2)中，N是像素点的总数，A_b和A_i分别是像素区域以及整个图像的面积值。

上步骤S4中分裂的两个子像素块的方差误差度量eb相等。

上步骤S4中母像素块的分裂算法，包括以下步骤：

B1、假设以整个图像为初始像素块，图像区域内均布N个采样像素点，以整个图像的X轴和Y轴坐标，构建线性表X；线性表X中的元素包括像素块左上顶点坐标、右下顶点及一个判断标志位F；

B2、若vs>eb>vt，则F＝false，以初始像素块为父像素块节点，将父像素块节点分裂成的两个子像素块节点存入线性表X中，同时删除线性表X中的父像素块节点；

B3、分别于子像素块增加d个的采样点，分别计算子像素块方差误差度量eb，并分别重复步骤B2。

上述的基于像素块方差的自适应采样方法，

若eb≥vs，则F＝false，转入步骤S3；

若eb≤vt，则F＝true，停止此像素块节点的迭代。

根据判断标志位F，判断线性表X中是否还有未终止的像素块信息，若有则继续进行迭代，若没有则终止迭代。

本发明的有益之处在于：

本发明将整个图像看成一个大的像素块，对像素块进行误差度量，决定是否分裂、终止或继续采样。如此迭代下去，通过不断增加采样点，图像最终会分为很多小的像素块。在图像差异较小的区域，像素块会提前达到收敛阀值而终止采样，而对于场景中差异较大的区域则会获取更多的采样点，直至所有像素块均达到收敛阀值，从而终止该算法。

本发明采用的基于像素块方差的方法，可以有效地解决亚像素自适应采样存在的问题，可有针对性地对采样数量进行分配，通过基于像素块分裂的自适应采样算法，自动识别图像中需要增加采样点的区域，从而自适应地分配采样点，有针对性地进行图像采样，避免对每个像素采用同样的采样数量。它是有针对性、有选择性地去根据光照计算难度去决定每个像素的采样数量，在绘制效率以及绘制效果上均有所提高；通过该算法可以得出图像区域采样重要性分布，从而准确分配采样点进行图像合成。

附图说明

图1为本发明的本发明的基于像素块方差的自适应采样方法的流程图。

图2为本发明的线性表X及分裂示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1所示，为本发明的基于像素块方差的自适应采样方法的流程图。

基于像素块方差的自适应采样方法，基于蒙特卡罗光线追踪的全局光照绘制方法，包括步骤如下：

S1、以整个图像为初始像素块，以均匀分布N个采样像素点的方式将初始像素块分为N个像素区域，计算像素块方差误差度量eb；

初始化工作主要包含两部分，第一部分是对渲染场景(图像)初始的采样像素点数量N一个合理估计，在本方法中，根据多次实验，选择均匀分布的方式分配初始的采样点，初始采样点个数为16。

第二部分是对分裂阈值vs以及终止阈值vt的大小的初始化，在算法迭代过程中，需要一个分裂阀值vs和一个终止阀值vt，分裂阀值v_s用来判断像素块是否需要分裂成子像素块，终止阀值vt用来判断像素块是否达到收敛。vs和vt都是经验值，在本实施例的算法实现中，经过多次实验结果比较，将终止阀值vt设置为0.0002，分裂阀值vs设为300·vt。

像素块方差误差度量eb的计算方法，包括以下步骤：

A1、以像素区域为对象，生成缓冲区A和缓冲区B，计算该像素区域内每个像素点的R、G、B颜色分量后，计算方差σ²，公式为：

式(1)中，σ²为像素点p的方差，

A_p ^r为A缓冲区像素点p的RGB值R分量，A_p ^g为A缓冲区像素点p的RGB值G分量，A_p ^b为A缓冲区像素点p的RGB值B分量；且，初始像素块对应的A_p ^r、A_p ^g、A_p ^b的值分别为0；

B_p ^r为B缓冲区像素点p的RGB值R分量，B_p ^g为B缓冲区像素点p的RGB值G分量，B_p ^b为B缓冲区像素点p的RGB值B分量；

A2、计算像素块方差误差度量e_b，公式如下：

式(2)中，N是像素点的总数，A_b和A_i分别是像素区域以及整个图像的面积值。

S2、将像素块方差误差度量eb，与预设的分裂阈值vs和终止阈值vt进行比较，比较方式如下：

若eb≥vs，则转入步骤S3；

若vs>eb>vt，则转入步骤S4；

若eb≤vt，则停止对此像素区域增加采样点，停止此像素区域的迭代；

S3、增加d个采样点，以均匀分布(N+d)个采样点的方式将初始像素块分为(N+d)个像素区域，重复步骤S1-S2；

S4、将初始像素块作为母像素块，分裂为两个子像素块的方差误差度量eb相等的子像素块，并分别增加d个的采样点，分别计算子像素块方差误差度量eb，并分别重复步骤S1-S2；

母像素块的分裂算法，包括以下步骤：

B1、如图2所示；假设以整个图像为初始像素块，图像区域内均布N个采样像素点，以整个图像的X轴和Y轴坐标，构建线性表X；线性表X中的元素包括像素块左上顶点坐标、右下顶点及一个判断标志位F；

B2、若vs>eb>vt，则F＝false，以初始像素块为父像素块节点，将父像素块节点分裂成的两个方差误差度量eb相等的子像素块节点存入线性表X中，同时删除线性表X中的父像素块节点；

B3、分别于分裂的子像素块增加d个的采样点，分别计算子像素块方差误差度量eb，并分别重复步骤B2。

同上，于线性表X中，若eb≥vs，则F＝false，转入步骤S3；若eb≤vt，则F＝true，停止此像素块节点的迭代。

根据判断标志位F，判断线性表X中是否还有未终止的像素块信息，若有则继续进行迭代，若没有则终止迭代。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于像素块方差的自适应采样方法，其特征在于，基于蒙特卡罗光线追踪的全局光照绘制方法，包括步骤如下：

S1、以整个图像为初始像素块，以均匀分布N个采样像素点的方式将初始像素块分为N个像素区域，计算像素块方差误差度量eb，

S2、将像素块方差误差度量eb，与预设的分裂阈值vs和终止阈值vt进行比较，比较方式如下：

若eb≥vs，则转入步骤S3；

若vs>eb>vt，则转入步骤S4；

若eb≤vt，则停止对此像素区域增加采样点，停止此像素区域的迭代；

S3、增加d个采样点，以均匀分布(N+d)个采样点的方式将初始像素块分为(N+d)个像素区域，重复步骤S1-S2；

S4、将初始像素块作为母像素块，分裂为两个子像素块，并分别增加d个的采样点，分别计算子像素块方差误差度量eb，并分别重复步骤S1-S2。

2.根据权利要求1所述的基于像素块方差的自适应采样方法，其特征在于，所述步骤S1中的终止阀值vt预设值为0.0002，分裂阀值vs预设值为300·vt。

3.根据权利要求1所述的基于像素块方差的自适应采样方法，其特征在于，所述步骤S1中像素块方差误差度量eb的计算方法，包括以下步骤：

A1、以像素区域为对象，生成缓冲区A和缓冲区B，计算该像素区域内每个像素点的R、G、B颜色分量后，计算方差σ²，公式为：

式(1)中，σ²为像素点p的方差，

A_p ^r为A缓冲区像素点p的RGB值R分量，A_p ^g为A缓冲区像素点p的RGB值G分量，A_p ^b为A缓冲区像素点p的RGB值B分量；且，初始像素块对应的A_p ^r、A_p ^g、A_p ^b的值分别为0；

B_p ^r为B缓冲区像素点p的RGB值R分量，B_p ^g为B缓冲区像素点p的RGB值G分量，B_p ^b为B缓冲区像素点p的RGB值B分量；

A2、计算像素块方差误差度量e_b，公式如下：

式(2)中，N是像素点的总数，A_b和A_i分别是像素区域以及整个图像的面积值。

4.根据权利要求1所述的基于像素块方差的自适应采样方法，其特征在于，所述步骤S4中分裂的两个子像素块的方差误差度量eb相等。

5.根据权利要求1所述的基于像素块方差的自适应采样方法，其特征在于，所述步骤S4中母像素块的分裂算法，包括以下步骤：

B1、假设以整个图像为初始像素块，图像区域内均布N个采样像素点，以整个图像的X轴和Y轴坐标，构建线性表X；线性表X中的元素包括像素块左上顶点坐标、右下顶点及一个判断标志位F；

B2、若vs>eb>vt，则F＝false，以初始像素块为父像素块节点，将父像素块节点分裂成的两个子像素块节点存入线性表X中，同时删除线性表X中的父像素块节点；

B3、分别于子像素块增加d个的采样点，分别计算子像素块方差误差度量eb，并分别重复步骤B2。

6.根据权利要求5所述的基于像素块方差的自适应采样方法，其特征在于，

若eb≥vs，则F＝false，转入步骤S3；

若eb≤vt，则F＝true，停止此像素块节点的迭代。

7.根据权利要求5所述的基于像素块方差的自适应采样方法，其特征在于，根据判断标志位F，判断线性表X中是否还有未终止的像素块信息，若有则继续进行迭代，若没有则终止迭代。