CN110728741B - 基于多细节层次模型的面光源照射三维场景画面渲染方法 - Google Patents

基于多细节层次模型的面光源照射三维场景画面渲染方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于多细节层次模型的面光源照射三维场景画面渲染方法。本方法根据正常细节层次三维场景模型计算视点光线和三维场景之间的离视点最近的交点，这可以保证渲染出的三维场景画面中的物体形状的精确性。本方法根据低细节层次三维场景模型来测试光源采样点和可视场景点之间是否存在遮挡，以实现光源可见性测试。低细节层次三维场景模型包含的几何面片数比正常细节层次三维场景模型包含的几何面片数少很多。本方法既可以保证生成的三维场景直接光照画面中的物体形状精确，又能提高画面渲染的速度。

Description

基于多细节层次模型的面光源照射三维场景画面渲染方法
技术领域
本发明属于三维场景画面渲染技术领域，涉及一种基于多细节层次模型的面光源照射三维场景画面渲染方法。
背景技术
三维场景画面渲染是计算机图形学中的一个重要研究课题。光线投射(RayCasting)是一种常见的用于渲染三维场景画面的技术。J.F.Hughes等撰写的由Addison-Wesley公司于2014年出版的《Computer Graphics:Principles and Practice,3rdEdition》的第15章对光线投射技术作过介绍，其可以用于渲染三维场景的直接光照效果画面。阴影是三维场景中因物体对光源发出光照的遮挡而产生的光学现象，其对观察者理解三维场景画面中的物体形状和物体之间的空间关系非常重要。三维场景的阴影形状和大小依赖于光源与从视点直接可视的场景点(称为可视场景点)之间的可见性。面光源照射下的三维场景中的阴影通常呈现边缘平滑变化特征，即阴影没有明晰的边缘。因此，在渲染面光源照射下的三维场景画面时，对光源可见性计算精度的要求无需太高。2003年的SIGGRAPH课程资料《Monte Carlo Ray Tracing》的第2章“Fundamentals of Monte CarloIntegration”和第3章“Direct Lighting via Monte Carlo Integration”分别对蒙特卡洛积分和面光源照射三维场景直接光照的蒙特卡洛估计方法作过介绍。对于每个可视场景点，为了计算面光源对该可视场景点产生的直接光照，可以先对面光源进行采样，得到一系列光源采样点，并计算这些光源采样点对可视场景点的直接光照贡献，然后按照蒙特卡洛积分估计方法，通过对各光源采样点产生的直接光照贡献进行加权求和来估计出面光源对可视场景点产生的直接光照贡献。在计算光源采样点对可视场景点的直接光照贡献时，如果光源采样点与可视场景点之间存在遮挡，则光源采样点对可视场景点的直接光照贡献为零。判断光源采样点与可视场景点之间是否存在遮挡实际上就是判断光源采样点与可视场景点之间是否直接可见，其被称为光源可见性测试。执行光源可见性测试会给三维场景画面渲染带来重要计算开销。1989年Academic Press出版的《An Introduction to RayTracing》的171～196页对分布光线跟踪(Distributed Ray Tracing)作过介绍，指出通过在光源所张的立体角内分布若干阴影光线，可以用蒙特卡洛估计方法渲染出半影效果(即阴影区到非阴影区的平滑过渡效果)；其中的阴影光线与光线投射中从视点发射的光线不同，阴影光线实际上是从可视场景点到光源采样点的线段；判断阴影光线与三维场景的几何面片是否相交，就是执行光源可见性测试；在光源所张的立体角内分布若干阴影光线，需先在面光源上产生一系列采样点，然后连接可视场景点和这些光源采样点，以构造出一系列阴影光线。
2002年由Morgan Kaufmann Publishers出版的《Level of Detail for 3DGraphics》对三维场景模型的细节层次(Level of Detail,LOD)作过介绍。对同一个三维场景，可以创建具有不同细节层次级别的三维场景模型。细节层次越精细，三维场景模型包含的几何面片越多。三维场景模型的几何面片越多，渲染三维场景画面的计算开销也越大。三维场景模型的精细程度对最终渲染生成画面中的物体形状有明显影响。然而如前所述，实际上面光源照射下的三维场景的光源可见性测试并不需要太精确，在执行光源可见性测试时使用低细节层次三维场景模型(相对于正常细节层次三维场景模型，低细节层次三维场景模型对几何对象的表示更粗糙)，并不会对最终的光照计算结果产生明显影响。降低三维场景模型的细节层次是减少三维场景包含的几何面片数的有效途径。利用这一事实，本发明提出在用光线投射渲染三维场景直接光照画面时，在不同计算步骤中使用不同细节层次的三维场景模型。在计算从视点发出的光线与三维场景的几何面片之间的交点时，使用正常细节层次三维场景模型，以确保光线与三维场景物体交点位置的精确性。在计算面光源在交点处产生的直接光照时，需要执行光源可见性测试，此时使用低细节层次三维场景模型，以便降低光源可见性测试计算开销。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于多细节层次模型的面光源照射三维场景画面渲染方法，实现对渲染三维场景画面过程中的光源可见性测试加速，从而提高三维场景画面渲染速度。
本发明的技术方案是这样实现的：如图1所示，在创建三维场景时，针对同一个三维场景，生成一个正常细节层次三维场景模型A001和一个低细节层次三维场景模型A002。在用光线投射技术渲染三维场景直接光照画面时，需要计算从视点发出的光线与三维场景的几何面片的离视点最近的交点；在计算交点处的直接来自面光源的光照贡献时，需要对面光源进行采样生成一系列光源采样点，并测试交点与各光源采样点之间是否直接可见。根据正常细节层次三维场景模型A001中的几何面片计算从视点发出的光线与三维场景的几何面片的交点，根据低细节层次三维场景模型A002中的几何面片测试交点与各光源采样点之间是否存在遮挡，即测试交点与各光源采样点之间是否直接可见。本方法的具体实现步骤如下：
步骤Step101：在创建三维场景时，针对同一个三维场景，生成一个正常细节层次三维场景模型A001和一个低细节层次三维场景模型A002；
步骤Step102：把正常细节层次三维场景模型A001和低细节层次三维场景模型A002加载到计算机内存中；在计算机内存中，创建一个包含M行、N列元素的二维数组IMG，M为虚拟相机的虚拟像素平面上的像素行数，N为虚拟相机的虚拟像素平面上的像素列数，二维数组IMG的元素用于保存虚拟相机的虚拟像素平面上的像素的颜色值；二维数组IMG的元素与虚拟相机的虚拟像素平面上的像素一一对应；
步骤Step103：根据虚拟相机参数，从视点发射穿过虚拟相机的虚拟像素平面上的各个像素A003的光线A004，光线A004与虚拟像素平面上的像素A003一一对应；针对每条光线A004，执行如下操作：
步骤Step103-1：计算光线A004和正常细节层次三维场景模型A001中的几何面片的离视点最近的交点A005；
步骤Step103-2：按照面光源照射三维场景直接光照的蒙特卡洛估计方法，在三维场景中的面光源上产生Num个采样点A006，并根据这Num个光源采样点A006对交点A005的直接光照贡献来估计面光源对交点A005的直接光照贡献IDIR；其中，每个光源采样点A006是否能对交点A005产生直接光照贡献取决于光源采样点A006与交点A005之间是否直接可见，只有当光源采样点A006与交点A005之间是直接可见时，光源采样点A006才对交点A005产生直接光照贡献，相应的针对每个光源采样点A006的光源可见性测试方法是：
构造以光源采样点A006和交点A005为端点的线段A007，判断线段A007和低细节层次三维场景模型A002中的几何面片之间是否有除线段A007的端点外的交点，如果有，则光源采样点A006与交点A005之间不是直接可见，否则光源采样点A006与交点A005之间是直接可见；
步骤Step103-3：计算光线A004对应的虚拟像素平面上的像素A003在虚拟像素平面上的行号nRow和列号nCol，把直接光照贡献IDIR转换成颜色值保存在二维数组IMG的第nRow行、第nCol列元素中；
步骤Step103-4：针对光线A004的操作结束；
步骤Step104：把二维数组IMG中的虚拟相机的虚拟像素平面上的像素的颜色值转换成三维场景画面图像文件保存到计算机硬盘中。
本发明的积极效果是：一方面，本方法在求解从视点发出的穿过虚拟相机的虚拟像素平面上的像素的光线与三维场景几何面片的交点时，计算光线和正常细节层次三维场景模型A001中的几何面片的离视点最近的交点，这可以保证渲染出的三维场景画面中的物体形状的精确性。另一方面，本方法在执行光源可见性测试时，测试以光源采样点A006与交点A005为端点的线段A007和低细节层次三维场景模型A002中的几何面片之间是否有除线段A007的端点外的交点，据此判断光源采样点A006与交点A005之间是否存在遮挡；由于低细节层次三维场景模型A002包含的几何面片数比正常细节层次三维场景模型A001包含的几何面片数少，在此过程中使用低细节层次三维场景模型A002可以加快光源可见性测试的执行速度。本方法既可以保证生成的三维场景直接光照画面中的物体形状精确，又能提高画面渲染的速度。
附图说明
图1为在渲染三维场景画面所需的不同操作中分别使用正常细节层次三维场景模型和低细节层次三维场景模型示意图。
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，考虑如下房间三维场景：在房间中放着一张桌子和一把椅子，房间的天花板上有一个圆形的面光源，面光源向下照射，三维场景中的所有几何对象表面都是漫反射面。计算机系统的CPU选择Intel(R)Xeon(R)CPU E3-1225 v3@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。
本发明的技术方案是这样实现的：如图1所示，在创建三维场景时，针对同一个三维场景，生成一个正常细节层次三维场景模型A001和一个低细节层次三维场景模型A002。在用光线投射技术渲染三维场景直接光照画面时，需要计算从视点发出的光线与三维场景的几何面片的离视点最近的交点；在计算交点处的直接来自面光源的光照贡献时，需要对面光源进行采样生成一系列光源采样点，并测试交点与各光源采样点之间是否直接可见。根据正常细节层次三维场景模型A001中的几何面片计算从视点发出的光线与三维场景的几何面片的交点，根据低细节层次三维场景模型A002中的几何面片测试交点与各光源采样点之间是否存在遮挡，即测试交点与各光源采样点之间是否直接可见。本方法的具体实现步骤如下：
步骤Step101：在创建三维场景时，针对同一个三维场景，生成一个正常细节层次三维场景模型A001和一个低细节层次三维场景模型A002；
步骤Step102：把正常细节层次三维场景模型A001和低细节层次三维场景模型A002加载到计算机内存中；在计算机内存中，创建一个包含M行、N列元素的二维数组IMG，M为虚拟相机的虚拟像素平面上的像素行数，N为虚拟相机的虚拟像素平面上的像素列数，二维数组IMG的元素用于保存虚拟相机的虚拟像素平面上的像素的颜色值；二维数组IMG的元素与虚拟相机的虚拟像素平面上的像素一一对应；
步骤Step103：根据虚拟相机参数，从视点发射穿过虚拟相机的虚拟像素平面上的各个像素A003的光线A004，光线A004与虚拟像素平面上的像素A003一一对应；针对每条光线A004，执行如下操作：
步骤Step103-1：计算光线A004和正常细节层次三维场景模型A001中的几何面片的离视点最近的交点A005；
步骤Step103-2：按照面光源照射三维场景直接光照的蒙特卡洛估计方法，在三维场景中的面光源上产生Num个采样点A006，并根据这Num个光源采样点A006对交点A005的直接光照贡献来估计面光源对交点A005的直接光照贡献IDIR；其中，每个光源采样点A006是否能对交点A005产生直接光照贡献取决于光源采样点A006与交点A005之间是否直接可见，只有当光源采样点A006与交点A005之间是直接可见时，光源采样点A006才对交点A005产生直接光照贡献，相应的针对每个光源采样点A006的光源可见性测试方法是：
构造以光源采样点A006和交点A005为端点的线段A007，判断线段A007和低细节层次三维场景模型A002中的几何面片之间是否有除线段A007的端点外的交点，如果有，则光源采样点A006与交点A005之间不是直接可见，否则光源采样点A006与交点A005之间是直接可见；
步骤Step103-3：计算光线A004对应的虚拟像素平面上的像素A003在虚拟像素平面上的行号nRow和列号nCol，把直接光照贡献IDIR转换成颜色值保存在二维数组IMG的第nRow行、第nCol列元素中；
步骤Step103-4：针对光线A004的操作结束；
步骤Step104：把二维数组IMG中的虚拟相机的虚拟像素平面上的像素的颜色值转换成三维场景画面图像文件保存到计算机硬盘中。
在本实施例中，Num＝30，M＝768，N＝1024。使用网格化简(Mesh Simplification)方法对正常细节层次三维场景模型A001中的几何对象网格进行化简可以得到低细节层次三维场景模型A002。正常细节层次三维场景模型A001就是能够确保三维场景画面中的物体形状精确的三维场景模型。在步骤Step103-2中，在判断线段A007和低细节层次三维场景模型A002中的几何面片之间是否有除线段A007的端点外的交点时，为了避免因三维模型化简可能引入的自遮挡误差，在判断交点是否就是线段A007的端点时，先分别计算交点到线段A007的两个端点的两个距离值，只有当两个距离值都大于dT时，才认为交点不是线段A007的端点。在本实施例中，dT设置为刚好能够包裹桌子几何对象的包围球的半径的五百分之一。

Claims (1)

1.一种基于多细节层次模型的面光源照射三维场景画面渲染方法，其特征在于：在创建三维场景时，针对同一个三维场景，生成一个正常细节层次三维场景模型A001和一个低细节层次三维场景模型A002；在用光线投射技术渲染三维场景直接光照画面时，需要计算从视点发出的光线与三维场景的几何面片的离视点最近的交点；在计算交点处的直接来自面光源的光照贡献时，需要对面光源进行采样生成一系列光源采样点，并测试交点与各光源采样点之间是否直接可见；根据正常细节层次三维场景模型A001中的几何面片计算从视点发出的光线与三维场景的几何面片的交点，根据低细节层次三维场景模型A002中的几何面片测试交点与各光源采样点之间是否存在遮挡，即测试交点与各光源采样点之间是否直接可见；本方法的具体实现步骤如下：
步骤Step101：在创建三维场景时，针对同一个三维场景，生成一个正常细节层次三维场景模型A001和一个低细节层次三维场景模型A002；
步骤Step102：把正常细节层次三维场景模型A001和低细节层次三维场景模型A002加载到计算机内存中；在计算机内存中，创建一个包含M行、N列元素的二维数组IMG，M为虚拟相机的虚拟像素平面上的像素行数，N为虚拟相机的虚拟像素平面上的像素列数，二维数组IMG的元素用于保存虚拟相机的虚拟像素平面上的像素的颜色值；二维数组IMG的元素与虚拟相机的虚拟像素平面上的像素一一对应；
步骤Step103：根据虚拟相机参数，从视点发射穿过虚拟相机的虚拟像素平面上的各个像素A003的光线A004，光线A004与虚拟像素平面上的像素A003一一对应；针对每条光线A004，执行如下操作：
步骤Step103-1：计算光线A004和正常细节层次三维场景模型A001中的几何面片的离视点最近的交点A005；
步骤Step103-2：按照面光源照射三维场景直接光照的蒙特卡洛估计方法，在三维场景中的面光源上产生Num个采样点A006，并根据这Num个光源采样点A006对交点A005的直接光照贡献来估计面光源对交点A005的直接光照贡献IDIR；其中，每个光源采样点A006是否能对交点A005产生直接光照贡献取决于光源采样点A006与交点A005之间是否直接可见，只有当光源采样点A006与交点A005之间是直接可见时，光源采样点A006才对交点A005产生直接光照贡献，相应的针对每个光源采样点A006的光源可见性测试方法是：
构造以光源采样点A006和交点A005为端点的线段A007，判断线段A007和低细节层次三维场景模型A002中的几何面片之间是否有除线段A007的端点外的交点，如果有，则光源采样点A006与交点A005之间不是直接可见，否则光源采样点A006与交点A005之间是直接可见；
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