CN113298925B - 一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法 - Google Patents

一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，其技术方案要点是：包括预处理步骤与运行时步骤两个部分，当向场景发射若干光线并跟踪相应散射光线以计算图像时在运行前执行预处理步骤，若在运行过程中场景发生变动时，则执行运行时步骤；所述预处理步骤包括以下步骤：S1.从光源发射若干光线，或从视点发射反向跟踪的若干光线；S2.计算各个光线在三维虚拟场景中的传播路径，并计算光线与场景中模型的碰撞点信息；本基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法根据预处理中存储的光线路径，基于路径复用的思路，仅处理物体变动前后区域的光线，能够实现在游戏与影视等光线追踪应用中，对动态场景的加速渲染。

Description

一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法
技术领域
本发明涉及计算机图形学中全局光照领域，特别涉及一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法。
背景技术
光线追踪大量应用于游戏制作、虚拟现实、影视特效等应用中，1968年Appel提出光线投射算法，标志着光线追踪体系的开始，后续发展出提出于1979年的递归式光线追踪，该算法在前者基础上，加入光线与物体表面的交互，使光线在物体表面沿着反射、折射及散射方式上继续传播，直至与光源相交。
分布式光线追踪于1984年提出，该算法把蒙特卡洛算法引入到光线追踪领域，利用多道光线对折射、反射及阴影区域进行处理。1986年提出的路径追踪，其主要思想是从眼睛发射一束光线，光线与物体表面碰撞时，根据物体表面的属性继续采样一个方向，射出另一束光线，如此迭代，直至碰撞光源，然后用蒙特卡洛方法进行计算。这三种为单向方法的代表。随后，发展出双向路径追踪(1993年与1994年)、光子映射(1996年)、梅特罗波利斯光照传输(1997年)为代表的双向方法。
其中，双向路径追踪从视点与光源同时发射光线并将两者连接，以进行光线路径的复用。光子映射通过光子密度估计的方式快速建立有效路径。梅特罗波利斯光照传输对现有路径进行突变，快速获得大量相似的路径，由于状态空间的不同，分成了路径空间与原采样空间两类截然不同的方法。在后续的发展中，双向方法又各自衍生出不同的体系。
光线追踪体系中，光子映射、虚拟光源等技术，在生成图像前计算并存储光线的部分信息，因此在静态场景下由于预处理的步骤，这类算法渲染十分快速，但在动态场景下并不十分适合。
发明内容
针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，以解决背景技术中提到的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，包括预处理步骤与运行时步骤两个部分，当向场景发射若干光线并跟踪相应散射光线以计算图像时在运行前执行预处理步骤，若在运行过程中场景发生变动时，则执行运行时步骤；
所述预处理步骤包括以下步骤：
S1.从光源发射若干光线，或从视点发射反向跟踪的若干光线；
S2.计算各个光线在三维虚拟场景中的传播路径，并计算光线与场景中模型的碰撞点信息；
S3.设置光线Light相对应的完整传播路径为：从场景中一点开始，经过各个光线散射的碰撞点，直到结束的全体路径，将其表示为各个碰撞点的连线，即(Point1,Point2,Point3,……,PointN)，记为Path，存储场景中所有的Path，运行时使用所有的Path即可直接生成静态场景对应的图像，如果场景发生变动则执行以下步骤并重新计算部分Path；
所述运行时步骤包括以下步骤：
S4.选取一随机数N，随机选取N段Path并弃用；
S5.对于每一个发生变动的物体，记变动前为Entity，变动后为Entity’；
S6.遍历所有的Path，找出所有与Entity或Entity’所碰撞Light，并对其相应的Path进行标记；
S7.对于每个被标记的Path，再次处理被丢弃的路径段，以发生碰撞的光线Light其对应Pointstart起点，计算其在Entity’对应三维虚拟场景中的传播路径，并进行存储；
S8.添加N段全新的Path。
较佳的，所述光线的传播路径计算通过路径追踪算法实现，所述路径追踪算法从空间中某一个点开始，根据该点的物体材质信息或光源属性或摄像机模型选择一个光线的传输方向，并计算该方向上与下一个物体的碰撞点，以该碰撞点为下一次迭代的起点，同时重复上述过程，直至触发预设的光线长度过长或权重过低等条件，算法结束。
较佳的，所述光线传播时采用的光照传输方法包括但不仅限于：双向路径追踪、光子映射、虚拟光源等算法。
较佳的，依据所述光照传输方法确定生成图像时单个像素的颜色计算，包括光的辐射度计算、光波的计算、能量的计算。
较佳的，存储所述光线路径所用的空间数据结构包括但不限于：八叉树、k-d树、层次包围盒等存储结构。
较佳的，所述S2中对于传播路径中的每一段光线记起点为Pointstart、终点为Pointend，光线路径则为由Pointstart到Pointend的一条直线段构成，记为Light。
较佳的，所述S6中对于每个被标记的Path，将发生碰撞的光线Light其对应Pointstart之后的所有Point全部丢弃。
较佳的，采用Silverlight提供微语言属性语法来画出Path。
综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
本基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法根据预处理中存储的光线路径，基于路径复用的思路，仅处理物体变动前后区域的光线，能够实现在游戏与影视等光线追踪应用中，对动态场景的加速渲染。
附图说明
图1是基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法的示意图；
图2是基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法的流程图。
具体实施方式
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。
实施例1
一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，包括预处理步骤与运行时步骤两个部分，当向场景发射若干光线并跟踪相应散射光线以计算图像时在运行前执行预处理步骤，若在运行过程中场景发生变动时，则执行运行时步骤；
预处理步骤包括以下步骤：
S1.从光源发射若干光线，或从视点发射反向跟踪的若干光线；
S2.计算各个光线在三维虚拟场景中的传播路径，并计算光线与场景中模型的碰撞点信息；
S3.设置光线Light相对应的完整传播路径为：从场景中一点开始，经过各个光线散射的碰撞点，直到结束的全体路径，将其表示为各个碰撞点的连线，即(Point1,Point2,Point3,……,PointN)，记为Path，存储场景中所有的Path，运行时使用所有的Path即可直接生成静态场景对应的图像，如果场景发生变动则执行以下步骤并重新计算部分Path；
运行时步骤包括以下步骤：
S4.选取一随机数N，随机选取N段Path并弃用；
S5.对于每一个发生变动的物体，记变动前为Entity，变动后为Entity’；
S6.遍历所有的Path，找出所有与Entity或Entity’所碰撞Light，并对其相应的Path进行标记；
S7.对于每个被标记的Path，再次处理被丢弃的路径段，以发生碰撞的光线Light其对应Pointstart起点，计算其在Entity’对应三维虚拟场景中的传播路径，并进行存储；
S8.添加N段全新的Path。
较佳的，光线的传播路径计算通过路径追踪算法实现，路径追踪算法从空间中某一个点开始，根据该点的物体材质信息或光源属性或摄像机模型选择一个光线的传输方向，并计算该方向上与下一个物体的碰撞点，以该碰撞点为下一次迭代的起点，同时重复上述过程，直至触发预设的光线长度过长或权重过低等条件，算法结束。
较佳的，光线传播时采用的光照传输方法包括但不仅限于：双向路径追踪、光子映射、虚拟光源等算法。
较佳的，依据光照传输方法确定生成图像时单个像素的颜色计算，包括光的辐射度计算、光波的计算、能量的计算。
较佳的，存储光线路径所用的空间数据结构包括但不限于：八叉树、k-d树、层次包围盒等存储结构。
较佳的，S2中对于传播路径中的每一段光线记起点为Pointstart、终点为Pointend，光线路径则为由Pointstart到Pointend的一条直线段构成，记为Light。
较佳的，S6中对于每个被标记的Path，将发生碰撞的光线Light其对应Pointstart之后的所有Point全部丢弃。
较佳的，采用Silverlight提供微语言属性语法来画出Path。
综上，本发明主要具有以下有益效果：
本基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法根据预处理中存储的光线路径，基于路径复用的思路，仅处理物体变动前后区域的光线，能够实现在游戏与影视等光线追踪应用中，对动态场景的加速渲染。
实施例2
参考图1和图2，一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，包括预处理步骤与运行时步骤两个部分，当向场景发射若干光线并跟踪相应散射光线以计算图像时在运行前执行预处理步骤，若在运行过程中场景发生变动时，则执行运行时步骤；
预处理步骤包括以下步骤：
S1.从光源发射若干光线，或从视点发射反向跟踪的若干光线；
S2.计算各个光线在三维虚拟场景中的传播路径，并计算光线与场景中模型的碰撞点信息；
S3.设置光线Light相对应的完整传播路径为：从场景中一点开始，经过各个光线散射的碰撞点，直到结束的全体路径，将其表示为各个碰撞点的连线，即(Point1,Point2,Point3,……,PointN)，记为Path，存储场景中所有的Path，运行时使用所有的Path即可直接生成静态场景对应的图像，如果场景发生变动则执行以下步骤并重新计算部分Path；
运行时步骤包括以下步骤：
S4.选取一随机数N，随机选取N段Path并弃用；
S5.对于每一个发生变动的物体，记变动前为Entity，变动后为Entity’；
S6.遍历所有的Path，找出所有与Entity或Entity’所碰撞Light，并对其相应的Path进行标记；
S7.对于每个被标记的Path，再次处理被丢弃的路径段，以发生碰撞的光线Light其对应Pointstart起点，计算其在Entity’对应三维虚拟场景中的传播路径，并进行存储；
S8.添加N段全新的Path。
分析可知：本基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法根据预处理中存储的光线路径，基于路径复用的思路，仅处理物体变动前后区域的光线，能够实现在游戏与影视等光线追踪应用中，对动态场景的加速渲染。
其中，在计算机图形学中，我们要渲染一个场景，假定有一个指定的光源，需要用它发出的光线来描述光能的传递过程，当整个场景中的光能信息被我们计算出来后，需要收集这些信息转化为像素点的亮度和颜色；光线在物体表面经过会发生反射和漫发射，光线透过物体会发生折射和散射。具体产生哪种效果由物体的表面属性来定，表面可以同时存在反射、折射、漫反射等多种属性，各种属性按一定比例混合之后才是其表面反射模型；一点的在某一个视线方向上的光亮度＝该点在该方向的自身发光亮度+半球入射光能在该方向所产生的反射光亮度。
其中，正向光线追踪(从光源出发，正向跟踪每一根光线在场景中的传递过程，然后收集信息)的缺陷：计算了大量对当前屏幕颜色不产生贡献的信息，而且它把看不见的物体也计算在内，极大的浪费了效率。逆向光线追踪：从视点(人眼)出发，向投影屏幕发出光线，然后追踪这个光线的传递过程。如果这个光线经过若干次反射折射后打到了光源上，则认为该光线是有用的，递归的计算颜色，否则就抛弃它。很显然，这个过程是真实光线投射的逆过程，它同样会产生浪费(那些被抛弃的逆向光线)，而且只适用于静态渲染(视点发生变化就要重新进行计算)。但是效率提高了，因为只计算对人眼有用的光线，看不见的光线不计算了。
其中逆向光线追踪算法像素点的亮度来自于：由光源直接照射而引起的光亮度(即从视点到一个像素的光线直接射到光源上)，来自环境中其它景物的反射折射光在表面产生的镜面反射光亮度(即从视点到一个像素的光线与景物相交经过反射折射回到了光源)，来自环境中其它景物的反射折射光在表面产生的规则透射光亮度(都是逆向的过程)，预设定的像素点漫反射颜色。
其中逆向光线追踪的算法描述：从视点出发，经过投影屏幕上的每一个像素向场景发射一根虚拟的光线，求光线与场景最近的交点。
递归跟踪：如果当前交点所在的景物表面为理想镜面，光线沿其镜面反射方向继续跟踪，如果当前交点所在的景物表面为规则投射表面，光线沿其规则投射方向继续跟踪。
递归异常结束：光线与场景中的景物没有交点，当前交点所在的景物表面为漫反射表面，跟踪层次已经超过用户设定的最大跟踪层数，所跟踪的光线对显示像素的光亮度的贡献小于一预先设定的阀值。
递归正常结束：光线于光源相交，取得光亮度值，按递归层次反馈。
光线追踪的效率问题：要把大量的光线与景物求交，如何避免无谓的求交计算是提升算法效率的关键。早期的光线追踪算法都是通过各种空间划分技术来避免无谓的求交检测，这些方法对于之后的理论同样有效，常见的空间划分方法分为两类：基于网格的平均空间划分，基于轴平行的二分空间划分。
实施例3
1.camera的胶片被分成离散的网格(即像素点)，我们的目标是确定每一个像素点的颜色值；
2、对于每一个像素，从camera位置追踪一条光线，指向该像素点；
3、对于这束光线，判断其是否和场景中的物体相交，如果相交，则转到步骤4；否则，将背景色填充到当前像素中去，回到步骤2，继续处理下一个像素；
4、如果光线和物体相交，计算物体表面交点的颜色值，该点的颜色值即为该像素的颜色值：
a、首先检查每个光源在该交点的贡献值。追踪一条新光线去光源，用来确定交点是被全部照亮、部分照亮还是没有被照亮，同时确定了阴影；
b、如果物体表面具有反射性质，计算初始光线的反射光线，然后追踪这条反射光线，转到步骤3；
c、如果物体表面具有折射性质，计算初始光线的折射光线，然后追踪这条折射光线，转到步骤3；
d、最终，根据表面性质(反射率、折射率)，和不同类型光线计算得出的颜色值，来确定交点的颜色值，即当前像素点的颜色值；
5、回到步骤2，继续下一个像素点，重复这个过程直到像素点都遍历完成。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，其特征在于：包括预处理步骤与运行时步骤两个部分，当向场景发射若干光线并跟踪相应散射光线以计算图像时在运行前执行预处理步骤，若在运行过程中场景发生变动时，则执行运行时步骤；
所述预处理步骤包括以下步骤：
S1.从光源发射若干光线，或从视点发射反向跟踪的若干光线；
S2.计算各个光线在三维虚拟场景中的传播路径，并计算光线与场景中模型的碰撞点信息；
S3.设置光线Light相对应的完整传播路径为：从场景中一点开始，经过各个光线散射的碰撞点，直到结束的全体路径，将其表示为各个碰撞点的连线，即(Point1,Point2,Point3,……,PointN)，记为Path，存储场景中所有的Path，运行时使用所有的Path即可直接生成静态场景对应的图像，如果场景发生变动则执行以下步骤并重新计算部分Path；
所述运行时步骤包括以下步骤：
S4.选取一随机数N，随机选取N段Path并弃用；
S5.对于每一个发生变动的物体，记变动前为Entity，变动后为Entity’；
S6.遍历所有的Path，找出所有与Entity或Entity’所碰撞Light，并对其相应的Path进行标记；
S7.对于每个被标记的Path，再次处理被丢弃的路径段，以发生碰撞的光线Light其对应Pointstart起点，计算其在Entity’对应三维虚拟场景中的传播路径，并进行存储；
S8.添加N段全新的Path；
所述光线的传播路径计算通过路径追踪算法实现，所述路径追踪算法从空间中某一个点开始，根据该点的物体材质信息或光源属性或摄像机模型选择一个光线的传输方向，并计算该方向上与下一个物体的碰撞点，以该碰撞点为下一次迭代的起点，同时重复上述过程，直至触发预设的光线长度或权重时，算法结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，其特征在于：所述光线传播时采用的光照传输方法包括但不仅限于：双向路径追踪、光子映射、虚拟光源等算法。
3.根据权利要求2所述的一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，其特征在于：依据所述光照传输方法确定生成图像时单个像素的颜色计算，包括光的辐射度计算、光波的计算、能量的计算。
4.根据权利要求1所述的一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，其特征在于：存储所述光线路径所用的空间数据结构包括但不限于：八叉树、k-d树、层次包围盒等存储结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，其特征在于：所述S2中对于传播路径中的每一段光线记起点为Pointstart、终点为Pointend，光线路径则为由Pointstart到Pointend的一条直线段构成，记为Light。
6.根据权利要求1所述的一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，其特征在于：所述S6中对于每个被标记的Path，将发生碰撞的光线Light其对应Pointstart之后的所有Point全部丢弃。
7.根据权利要求1所述的一种基于光线路径复用的动态场景渲染加速方法，其特征在于：采用Silverlight提供微语言属性语法来画出Path。
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