CN111179404B - 一种基于室内场景均匀分块的实时全局光照渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于室内场景均匀分块的实时全局光照渲染方法，具体包含如下步骤；建立室内场景均匀分块Tile的数学模型；将场景均匀分块并将分块信息存入3D纹理；建立3D纹理的各级Mipmap；对3D纹理进行圆锥体追踪；基于室内均匀分块Tile数学模型的算法实现流程，本发明大幅减少了设计师调整场景后为了预览效果而花费的离线渲染时间，避免了设计师手动补光造成的多余工作量，帮助设计师实时预览最终渲染效果，优化了设计师频繁地调整材质参数，帮助设计师及时调整光照位置、强度、角度、颜色，加快了设计师工作流；确保了设计师在家装设计过程中，可便捷高效高精度地产出室内场景渲染的光照方案。

Description

一种基于室内场景均匀分块的实时全局光照渲染方法

技术领域

本发明属于室内实时全局光照渲染领域，尤其涉及一种基于室内场景均匀分块的实时全局光照渲染方法。

背景技术

1.实时渲染引擎现阶段的室内光照渲染方法：

实时光照渲染，分为直接光照和全局光照两部分，直接光照先对场景里的网格物体根据离摄像机的距离进行由近及远的排序，对于排序后的网格物体依次渲染场景里的多个光源；全局光照则通常采用非常耗时的离线渲染得到光照贴图，在实时阶段采样纹理的到全局光照信息，进而计算得到场景的完整光照；

该类方法的主要缺陷：全局光照部分因为要计算多次光照反弹，每次渲染出光照贴图需要大量时间，不能满足项目开发过程中及时预览效果的强烈需求；

2.延时光照渲染方法：

场景里的网格物体预先光栅化存入多个Geometry Buffer，场景里的所有光源根据摄像机的视锥均匀分区后存入光源列表，计算直接光照的时候，根据Geometry Buffer里的像素位置直接得到相应的光源列表，实现高效的渲染。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种基于场景均匀分块的室内实时光照渲染效果提升的实现方法，其确保了设计师在家装设计过程中，可便捷高效高精度地产出室内场景渲染的光照方案。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于场景均匀分块的室内实时光照渲染效果提升的实现方法，具体包含如下步骤；

步骤1，建立室内场景均匀分块Tile的数学模型；

步骤1.1，将场景均匀分块并将分块信息存入3D纹理；

步骤1.2，建立3D纹理的各级Mipmap；

步骤1.3，对3D纹理进行圆锥体追踪；

步骤2，基于室内均匀分块Tile数学模型的算法实现流程，具体包含如下步骤；

步骤2.1，分块化：将场景里的网格模型进行均匀的分块，每个分块包含区域内的模型三角形信息和相应的材质信息，对块内的三角形的法线Normal、材质参数金属度Metallic、粗糙度Roughness、高光Specular进行平均，用于计算光照的辐射亮度；

步骤2.2.块照明：对于每一个块，依次注入所有相关光源的照明光源方向LightDirection，光照计算模型采用漫反射拉姆波特数学模型DiffuseLambertian；

块的辐射亮度：

Radiance＝DiffuseLambertian(Normal,LightDirection,Metallic,Roughnes,Specular)；

Radiance为辐射亮度；

步骤2.3，建立照明块对应的各级Mipmap：每一级Mip对上一级Mip进行累加计算；Mip1_Radiance＝Average(Mip0_Radiance,Area)；

第1级的亮度密度Mip1_Radiance是对第0级亮度密度Mip0_Radiance相应空间Area的平均Average；

步骤2.4，块的圆锥体追踪：块的圆锥体方向和角度选择：方向为与块的法线Normal夹角分别为0度、30度、45度方向，圆锥体的角度为30度，辐射亮度的计算，Cube[i]为圆锥体内的第i级立方体区域；

总的辐射亮度TotalRadiance＝Sum(Cube[i])累加Sum每一个Cube；

最后一级Cube前，依次累加每个Cube整个体积内的亮度；

最后一级Cube，累加体积只是最后一级Cube整个体积的一部分；

步骤2.5，光照逐个块的第一次反弹：反弹是光照照射到场景网格物体后向各个方向进行反射，光线在场景里的第一次反弹，以块为单位接收到各个方向的反弹光线，各个块积分所有反弹光线的辐射亮度得到总的入射辐射亮度；积分过程通过圆锥体追踪进行近似，采样块照明后的3D纹理；可在获得物理真实结果的同时极大加速传统的积分过程，结果写入新的3D纹理；

步骤2.6.光照逐个像素的二次反弹：

在场景里光照的第二次反弹，累计出步骤2.5第一次反弹后的辐射亮度；

在屏幕上以逐个像素为单位接收各个方向反弹光线的辐射亮度累计，

通过累加步骤2.4中多个圆锥体追踪，采样步骤2.5第一次反弹后得到的亮度3D纹理，

得到更加平滑精细的辐射亮度累计，代入步骤2.2的辐射亮度计算公式得到像素的最终辐射亮度；将最终辐射亮度呈现在屏幕像素上；

在步骤1.1中，分块信息具体包含：

a)亮度密度RadianceDensity，存储于RGB通道，单位Radiance/Volume；亮度密度是灯光照亮当前分块的辐射亮度和当前分块体积的比值，表示当前分块光照的强弱；

b)遮挡密度OcclusionDensity，存储于Alpha通道，范围[0,1]；遮挡密度是当前分块的遮挡程度，表示光照通过的比例；

c)贡献密度ContributionDensity,存储为可调节的float常量；贡献密度是在做圆锥体追踪积分空间总亮度时对于各个方向的密度贡献系数；

在步骤1.2中，建立3D纹理的各级Mipmap：

其中，基础3D纹理对应Mip0的尺寸：64x64x64，单位是像素；

下一级Mip1的尺寸：32x32x32；

Mip1里的存储信息是对上一级对应区域的累加平均；

按照相同的方式依次计算后续各级的存储信息；

Mip2：16x16x16,Mip3：8x8x8,Mip4:4x4x4；

Mip5:2x2x2，Mip6:1x1x1；

在步骤1.3中，对3D纹理进行圆锥体追踪，具体如下：

当前分块的圆锥体追踪，计算圆锥体内总的辐射亮度；

其中，C0为当前分块的位置，圆锥体内按照到C0的长度产生对于尺寸的立方体区域块，根据区域块的尺寸到3D纹理的对应Mip级进行数据采样，得到当前区域块的亮度密度，再乘上区域块的体积得到区域块内的辐射亮度，由近及远依次累加每个区域块内的辐射亮度得到总的辐射亮度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明大幅减少了设计师调整场景后为了预览效果而花费的离线渲染时间，避免了设计师手动补光造成的多余工作量，帮助设计师实时预览最终渲染效果，优化了设计师频繁地调整材质参数，帮助设计师及时调整光照位置、强度、角度、颜色，加快了设计师工作流；

2、确保了设计师在家装设计过程中，可便捷高效高精度地产出室内场景渲染的光照方案。

附图说明

图1是本发明基于室内场景均匀分块的实时全局光照渲染方法的实现流程图；

图2是逐级的亮度密度计算过程示意图；

图3是逐级的遮挡密度计算过程示意图；

图4是圆锥体追踪过程示意图；

图5是场景网格的分块化示意图；

图6是圆锥体的方向选择示意图；

图7是圆锥体亮度计算示意图；

图8是逐个块的圆锥体追踪示意图；

图9是逐个像素的圆锥体追踪示意图；

图10是室内渲染效果提升前示意图；

图11是室内渲染效果提升后示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于室内场景均匀分块的实时全局光照渲染方法，如图1所示，

<1>建立室内场景均匀分块Tile的数学模型建立

<2>基于室内均匀分块Tile数学模型的算法实现流程

1.室内场景均匀分块Tile的数学模型建立过程，具体如下：

1.1将场景均匀分块并将分块信息存入3D纹理

分块信息：

a>亮度密度RadianceDensity，存储于RGB通道，单位Radiance/Volume；

亮度密度是灯光照亮当前分块的辐射亮度和当前分块体积的比值，表示当前分块光照的强弱

b>遮挡密度OcclusionDensity，存储于Alpha通道，范围[0,1]；

遮挡密度是当前分块的遮挡程度，表示光照通过的比例

c>贡献密度ContributionDensity,存储为可调节的float常量；

贡献密度是在做圆锥体追踪积分空间总亮度时对于各个方向的密度贡献系数

1.2建立3D纹理的各级Mipmap：

基础3D纹理对应Mip0的尺寸：64x64x64；

下一级Mip1的尺寸：32x32x32；

Mip1里的存储信息是对上一级对应区域的累加平均；

按照相同的方式依次计算后续各级的存储信息；

Mip2：16x16x16,Mip3：8x8x8,Mip4:4x4x4；

Mip5:2x2x2，Mip6:1x1x1；

图2是逐级的亮度密度计算过程；图3逐级的遮挡密度计算过程；

1.3对3D纹理进行圆锥体追踪：

当前分块的圆锥体追踪，计算圆锥体内总的辐射亮度；

C0为当前分块的位置，圆锥体内按照到C0的长度产生对于尺寸的立方体区域块，根据区域块的尺寸到3D纹理的对应Mip级进行数据采样，得到当前区域块的亮度密度，再乘上区域块的体积得到区域块内的辐射亮度，由近及远依次累加每个区域块内的辐射亮度得到总的辐射亮度。如图4圆锥体追踪过程。

2.室内均匀分块算法实现流程：

2.1.分块化：将场景里的网格模型进行均匀的分块，每个分块包含区域内的模型三角形信息和相应的材质信息，对块内的三角形的法线Normal和材质参数Metallic/Roughness/Specular进行平均，用于计算光照的辐射亮度；图5是场景网格的分块化；

2.2.块照明：对于每一个块，依次注入所有相关光源的照明光源方向LightDirection，光照计算模型采用漫反射拉姆波特数学模型DiffuseLambertian；

块的辐射亮度：

Radiance＝Diffuse_Lambertian(Normal,LightDirection,

Metallic,Roughnes,Specular)；

2.3.建立照明块对应的各级Mipmap；

每一级Mip对上一级Mip进行累加计算；

Mip1_Radiance＝Average(Mip0_Radiance,Area)；

2.4.块的圆锥体追踪：块的圆锥体方向和角度选择：方向为与块的法线Normal夹角分别为0度、30度、45度方向，圆锥体的角度为30度图6圆锥体的方向选择；辐射亮度的计算,Cube[i]为圆锥体内的立方体区域；TotalRadiance＝Sum(Cube[i])最后一级前，依次累加每个Cube内的亮度；最后一级的体积只是最后一级Cube的一部分；图7圆锥体亮度计算示意图；

2.5.光照逐个块的第一次反弹：反弹是光照照射到场景网格物体后向各个方向进行反射，光线在场景里的第一次反弹，以块为单位接收到各个方向的反弹光线，各个块积分所有反弹光线的辐射亮度得到总的入射辐射亮度。积分过程通过圆锥体追踪进行近似，采样块照明后的3D纹理。可以在获得物理真实结果的同时极大加速传统的积分过程，结果写入新的3D纹理；图8逐个块的圆锥体追踪；

2.6.光照逐个像素的二次反弹：光线在场景里的第二次反弹，以像素为单位接收各个方向的反弹光线，通过逐像素的圆锥体追踪，采样第一次反弹后的3D纹理，可以获得更加平滑精细的辐射亮度积分结果，结果呈现在最终屏幕；图9逐个像素的圆锥体追踪。图10室内渲染效果提升前，图11室内渲染效果提升后。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种基于室内场景均匀分块的实时全局光照渲染方法，其特征在于：具体包含如下步骤；

步骤1，建立室内场景均匀分块Tile的数学模型；

步骤1.1，将场景均匀分块并将分块信息存入3D纹理；

步骤1.2，建立3D纹理的各级Mipmap；

步骤1.3，对3D纹理进行圆锥体追踪；

步骤2，基于室内均匀分块Tile数学模型的算法实现流程，具体包含如下步骤；

步骤2.1，分块化：将场景里的网格模型进行均匀的分块，每个分块包含区域内的模型三角形信息和相应的材质信息，对块内的三角形的法线Normal、材质参数金属度Metallic、粗糙度Roughness、高光Specular进行平均，用于计算光照的辐射亮度；

步骤2.2.块照明：对于每一个块，依次注入所有相关光源的照明光源方向LightDirection，光照计算模型采用漫反射拉姆波特数学模型DiffuseLambertian；

块的辐射亮度：

Radiance＝DiffuseLambertian(Normal,LightDirection,Metallic,Roughnes,Specular)；

Radiance为辐射亮度；

步骤2.3，建立照明块对应的各级Mipmap：每一级Mip对上一级Mip进行累加计算；Mip1_Radiance＝Average(Mip0_Radiance,Area)；

第1级的亮度密度Mip1_Radiance是对第0级亮度密度Mip0_Radiance相应空间Area的平均Average；

步骤2.4，块的圆锥体追踪：块的圆锥体方向和角度选择：方向为与块的法线Normal夹角分别为0度、30度、45度方向，圆锥体的角度为30度，辐射亮度的计算，Cube[i]为圆锥体内的第i级立方体区域；

总的辐射亮度TotalRadiance＝Sum(Cube[i])累加Sum每一个Cube；

最后一级Cube前，依次累加每个Cube整个体积内的亮度；

最后一级Cube，累加体积只是最后一级Cube整个体积的一部分；

步骤2.5，光照逐个块的第一次反弹：反弹是光照照射到场景网格物体后向各个方向进行反射，光线在场景里的第一次反弹，以块为单位接收到各个方向的反弹光线，各个块积分所有反弹光线的辐射亮度得到总的入射辐射亮度；积分过程通过圆锥体追踪进行近似，采样块照明后的3D纹理；可在获得物理真实结果的同时极大加速传统的积分过程，结果写入新的3D纹理；

步骤2.6.光照逐个像素的二次反弹：

在场景里光照的第二次反弹，累计出步骤2.5第一次反弹后的辐射亮度；

在屏幕上以逐个像素为单位接收各个方向反弹光线的辐射亮度累计，

通过累加步骤2.4中多个圆锥体追踪，采样步骤2.5第一次反弹后得到的亮度3D纹理，

得到更加平滑精细的辐射亮度累计，代入步骤2.2的辐射亮度计算公式得到像素的最终辐射亮度；将最终辐射亮度呈现在屏幕像素上；

在步骤1.1中，分块信息具体包含：

a)亮度密度RadianceDensity，存储于RGB通道，单位Radiance/Volume；亮度密度是灯光照亮当前分块的辐射亮度和当前分块体积的比值，表示当前分块光照的强弱；

b)遮挡密度OcclusionDensity，存储于Alpha通道，范围[0,1]；遮挡密度是当前分块的遮挡程度，表示光照通过的比例；

c)贡献密度ContributionDensity,存储为可调节的float常量；贡献密度是在做圆锥体追踪积分空间总亮度时对于各个方向的密度贡献系数；

在步骤1.2中，建立3D纹理的各级Mipmap：

其中，基础3D纹理对应Mip0的尺寸：64x64x64，单位是像素；

下一级Mip1的尺寸：32x32x32；

Mip1里的存储信息是对上一级对应区域的累加平均；

按照相同的方式依次计算后续各级的存储信息；

Mip2：16x16x16,Mip3：8x8x8,Mip4:4x4x4；

Mip5:2x2x2，Mip6:1x1x1；

在步骤1.3中，对3D纹理进行圆锥体追踪，具体如下：

当前分块的圆锥体追踪，计算圆锥体内总的辐射亮度；

其中，C0为当前分块的位置，圆锥体内按照到C0的长度产生对于尺寸的立方体区域块，根据区域块的尺寸到3D纹理的对应Mip级进行数据采样，得到当前区域块的亮度密度，再乘上区域块的体积得到区域块内的辐射亮度，由近及远依次累加每个区域块内的辐射亮度得到总的辐射亮度。

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