CN115546393A - 一种基于Open GL的红外虚拟场景辐射度绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Open GL的红外虚拟场景辐射度绘制方法，本发明以辐射度原理为基础，以OpenGL为平台，适应于红外场景真实感绘制。本发明利用纹理贴图技术作曲面细分，利用光栅化流程加速了形状因子的计算；根据红外场景辐射的特点，建立起红外材质的数据库，定量实现了场景背景辐射、大气传输效应和红外自辐射的计算模型，为红外辐射度绘制的实现奠定了扎实的物理基础，在此基础上搭建起一个基于红外辐射度算法的红外场景真实感绘制仿真系统，绘制出多个地面目标场景的红外图像。

Description

一种基于Open GL的红外虚拟场景辐射度绘制方法

技术领域

本发明涉及虚拟场景的红外仿真方法，尤其涉及一种基于辐射度原理的红外场景绘制方法。

背景技术

红外物理学原理指出，所有温度高于绝对零度的物体均会产生电磁波辐射，其中波长为2.0～1000微米之间的部分称为热红外线(Infrared，简称：IR)，相较于波长更高的电磁波辐射，红外辐射具有频率高，能量大，抗干扰性强，夜视成像，对烟雾穿透性强等特点，且由于场景的红外成像图能反映出物体表面的温度场分布，因此红外成像在军事，工业，医用和民用领域均有广泛的应用。

虽然红外成像系统在军工领域有较为广泛的作用，但是红外成像系统的研制需要在不同天气、不同地理位置、不同时间拍摄大量红外图像，对资源和人力的耗费较大，且一些特殊的气象条件或地理条件很难被满足，无法获取军事目标的红外图像，从而导致样本缺失，因此红外成像系统在实际战争中的作用与表现难以进行测试与评估。

由此产生了红外视景仿真的需求，红外视景仿真技术指部分或完全基于物理原理，在计算机上生成与现实场景物理特征一致的红外图像。红外视景仿真技术理论上允许本发明在没有实地红外图像的情况下，模拟出不同复杂场景的红外画面，从而可在军事领域用于辅助战略决策和精准战术制导。

国外对红外视景仿真技术的研究起步要早于中国，且已经产生一些突破性成果，发展出了较为成熟的工业软件。但是由于此技术在军工领域应用广泛，在国外文献库中，难以查找到红外仿真关键技术细节描述的相关文献。基于以上原因，对于我国来说，独立自主研制出属于我国自己知识产权的红外视景仿真系统是必须应对的挑战。

对于红外视景仿真而言，关键技术的突破在于场景温度场的精确建模与真实感绘制这两大方面。场景温度场的精确建模方面目前已有不少突出的工作，它涉及到热平衡方程组的求解，传热模型的建立与求解，太阳直射辐射和大气背景辐射等，而真实感绘制方面包括场景红外辐射反射模型的建立与求解，大气辐射传输效应等问题。

对于红外真实感绘制方面的工作，公开发表的研究成果则较少，少量工作在红外图像绘制时采用了计算机图形领域的Blinn-Phong模型或者其他经验模型，但由于这类模型较少考虑场景中各物体目标之间的相互热辐射作用的物理机制，因此绘制(渲染)出的红外仿真图像与实拍红外图像相差较大，不能有效反映出其红外辐射特征，故其真实感有待提高。

目前部分商用红外仿真软件(如法国的SE-WORKBENCH等)，在基于物理的红外真实感绘制方面采用了光线跟踪(Ray Tracing)技术，但其实现的技术细节并不外露。

因此，对我国的红外仿真领域来说，要突破国外在这领域的高技术封锁，绘制出真实感的红外场景目标图像，就必须要基于物理学的能量相互辐射原理，独立自主地研发出红外真实感绘制模型算法，本发明专注于对该方向的研究与探索。

发明内容

本发明设计并实现了一个基于OpenGL的红外虚拟场景绘制方法。该绘制方法基于辐射度原理设计，利用OpenGL的光栅化流程加速形状因子的计算。

本发明提供了一种基于辐射度原理设计的虚拟场景红外绘制方法，其包括如下步骤：

1)测定场景材质的红外数据，所述的红外数据包括各材质的红外发射率、红外反射率和红外吸收率；搭建虚拟场景模型；

2)计算得到场景的太阳辐射和大气背景辐射，以及大气传输效应；

3)将场景中的物体简化为灰体，根据测定的材质发射率计算热辐射，并在计算温度场与红外辐射时均考虑热辐射的影响；计算场景热辐射，初始热辐射由太阳直射辐射和大气背景辐射生成；

4)基于前述步骤计算得到的场景热辐射更新场景表面的温度场，并根据新的温度场再次基于步骤3)计算，更新场景的初始热辐射；

5)基于步骤4)得到的场景热辐射，计算场景所有面片的出射辐射度，存储为光照贴图，使用光栅化绘制得到最终的仿真结果；

作为本发明的优选方案，所述步骤3)中的计算场景热辐射包括如下步骤：

A)网格细分

对于场景中每一个网格，构造三个纹理贴图：坐标贴图、法线贴图、光照贴图；通过纹理和UV展开的方式，将网格划分为面片并利用UV坐标表示每个面片的数据；

将面片的纹理坐标以顶点数据的形式传给OpenGL的顶点着色器，每一个顶点对应一个面片，用顶点着色器并行地对每个面片平行光光照亮度与面片形状因子进行计算；

B)平行光的绘制

由于辐射度算法的数学原理是对场景中的面片作积分，而平行光不存在光源位置的信息，因此需要单独用一个流程计算平行光对场景的影响；

从面片P的位置出发，朝向平行光N的方向投射出一条光线，这条光线与场景中的其他面片作相交检测，如果光线没有与任何面片相交，则面片P可以被平行光N照射到；如果光线与面片相交，则计算该面片的辐射度；

对于每一个被平行光N照射到的面片P，根据其世界坐标与法线方向，由以下公式计算得到该面片接收到的来自平行光源N的入射辐射亮度L，

L＝L_N*cos(d_N，n_P)

其中d_N为平行光的方向，nP面片P的法线方向，L_N为平行光N的出射辐射亮度；

计算结果被保存在光照贴图中，得到的光照贴图作为后续辐射度计算时第一轮迭代的输入数据；

C)可见性与形状因子计算

将摄像机放在某个面片P_i的位置，朝向面片法线方向n_i做一次绘制，得到从面片P_i的位置与角度能看到哪些面片，从而利用光栅化原理得出面片P_i与其他面片P_j(j≠i)的可见性；

通过光栅化的方式判断可见性，把光栅化流程中的单个片元(fragment)作为一次对形状因子的采样；

从面片P_i的位置与法线方向对场景作光栅化，从而得到每个面片含有的片元数量，使用纹理的单个像素来代表单个面片，因此对于面片的每一个需要存储的数据，都使用纹理来存储，使用了一张单通道的整型纹理贴图来存储每个面片所包含的片元数量；在片元着色器中，根据当前片元的uv值，将贴图中对应位置的值加1；这样当所有片元完成计算后，贴图中每一个位置的数值就代表了对应面片的片元数N_j；

由于该纹理贴图的数值类型为整型，因此本发明使用OpenGL提供的atomic math功能，保证贴图中的值自增操作的原子性；

所有纹理贴图中纹理坐标为(0，y)或(x，0)的位置是不对应任何面片的，使用纹理贴图的(0，0)坐标处存储当前网格的片元总数∑N_k；

在片元着色器1中统计完片元数后，片元数会有一定失真，对片元数的失真作修正，之后，在顶点着色器2中根据下式计算得到每个面片的形状因子K_ij：

K_ij＝N_j/∑N_k(j≠i，k≠i)

考虑大气传输效应的影响，在计算出形状因子后，根据下式对形状因子用大气透过率α加权，得到一个同时考虑传统辐射度算法形状因子和大气辐射传输效应的新形状因子K′_ij：

K′_ij＝αK_ij

D)生成光照贴图

用步骤C)计算得到的形状因子K′_ij，计算场景的热辐射。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：

(1)因为本发明引入了辐射度算法，因此克服了现有技术中无法很好模拟红外漫反射辐射的问题，从而取得了更具真实感的仿真结果。

(2)因为本发明将三维场景的热辐射传热的计算整合进辐射度算法的框架中，应用有限元思想计算面片受到的辐射传热，因此克服了现有技术中无法计算辐射传热对温度场影响的问题，从而得到了更精确的温度场，并基于此得到了更真实的仿真结果。

附图说明

图1本发明设计的红外绘制流程示意图；

图2本发明中场景热辐射传热的计算流程；

图3本发明测试场景的地形白模；

图4本发明测试建筑的高模；

图5本发明测试场景的红外绘制结果(局部)；

图6本发明测试建筑油罐在中午的红外绘制结果与实拍图对比，其中左图为实拍图，右图为仿真绘制图；

图7本发明测试建筑油罐在夜晚的红外绘制结果与实拍图对比，其中左图为实拍图，右图为仿真绘制图；

图8本发明测试建筑楼房在中午的红外绘制结果与实拍图对比，其中左图为实拍图，右图为仿真绘制图；

图9本发明测试建筑楼房在夜晚的红外绘制结果与实拍图对比，其中左图为实拍图，右图为仿真绘制图；

图10本发明测试建筑仓库在中午的红外绘制结果与实拍图对比，其中左图为实拍图，右图为仿真绘制图；

图11本发明测试建筑仓库在夜晚的红外绘制结果与实拍图对比，其中左图为实拍图，右图为仿真绘制图。

具体实施方式

图1所示是本发明计算场景中物体表面红外辐射的流程图，该流程的执行结果是生成最终的场景表面辐射亮度。图2本发明中场景热辐射传热的计算流程。如图1和2所示，本发明基于Open GL的红外虚拟场景辐射度绘制方法流程详细描述如下：

1)红外数据的测定

本发明需要预先测定各材质的红外数据。红外数据包括各材质的红外发射率、红外反射率和红外吸收率，这些数据可通过对目标场景的气象数据，太阳辐照仪数据和表面测温数据进行测量并估算得出。

2)虚拟场景的建立

本发明进行红外仿真的场景需要预先搭建，在验证本发明的过程中，本发明采用无人机对合作场景进行实地倾斜摄影测量拍摄，并据此实拍系列照片建立其地形的三维几何模型。

如图3所示，本发明为地形建立精细度较低的白模，这对于大尺度的地形场景的仿真可以满足需求，但对于局部目标区域仿真而言精细度尚不够。为此，本发明对其中特定的几个目标建筑手工进行精细的三维几何建模，如图4所示。

3)太阳辐射和大气背景辐射

本发明使用较为成熟的Modtran软件计算太阳直射辐照度和大气背景辐射。本发明通过开启新进程的方式使用Modtran程序，主进程与Modtran进程之间通过文件进行通信。Modtran程序执行计算所需的参数可以通过读取文件的形式载入，计算结果存于另一文件，主进程通过轮询读取文件，获得数据后继续执行后续计算。

在得到太阳直射辐照度后，将太阳中波辐射视为平行光，计算阴影与场景物体的初始热辐射，以用于后续的辐射度算法计算场景热辐射。大气背景辐射被视为环境光加入初始热辐射中。

4)大气传输效应

本发明在经过上述计算后，最终得到的是场景中每个物体表面的辐射亮度，而实际在仿真画面中看到的图像是从物体表面射入摄像机的部分辐射。

在实际的计算过程中，本发明根据用户输入的日期与时间，将测得的该时间的场景环境参数输入到Modtran当中，得到不同的波段下以及不同气象条件下的大气透过率以及路径辐射等参数，然后在实际的运算中，通过对预先计算好的值进行差值运算可以快速且较为准确的得到本发明需要的数据。

5)计算场景热辐射

将场景中的物体简化为灰体，根据测定的材质发射率计算热辐射，并在计算温度场与红外辐射时均考虑热辐射的影响；计算场景热辐射，初始热辐射由太阳直射辐射和大气背景辐射生成；

所述计算场景热辐射包括如下步骤：

5.1)网格细分

针对每个面片P_i，本发明在计算过程中涉及以下几个变量：

·面片Pi的世界坐标p_i与法线方向n_i，用于计算P_i法线方向的半球空间。

·面片P_i的自辐射，其接收到的来自场景其他面片的入射辐射度，以及面片P_i处物体的反射率，用于计算出射辐射度。

·P_i的出射辐射度需要被存储下来，作为下一轮迭代的输出参数，最后一轮迭代存储的出射辐射度作为计算结果用于之后的绘制。

上述变量中，自辐射就是面片在初始状态下的出射辐射度，是不需要额外存储的，入射辐射度就是上一轮迭代计算得到的出射辐射度，因此也不需要额外存储。因此对于场景中每一个网格，本发明仅需要构造三个纹理贴图：坐标贴图，法线贴图，光照贴图，其中坐标贴图和法线贴图是在构造时就烘焙完成的，辐射度贴图的数据在后续步骤中计算并更新。

本发明使用高精度的纹理贴图(具体精度根据场景大小确定)，让矩形面片的面积非常小，从而忽略单个矩形面片中的法线方向的变化。

通过纹理和UV展开的方式将网格划分为面片后，本发明根据面片划分的结果生成对应的顶点数据，每一个顶点对应一个面片，其中的数据只有纹理坐标。面片的其他数据可以通过访问纹理的方式获得，因此本发明将纹理坐标作为顶点数据传入顶点着色器，再将计算结果以贴图方式导出。本发明在计算面片数据时不需要进行光栅化，因此不执行片元着色器。

5.2)平行光的计算

由于辐射度算法的数学原理是对场景中的面片作积分，而平行光不存在光源位置的信息，因此本发明并不能通过本发明的辐射度方法计算平行光对场景的影响。因此本发明在用辐射度算法计算全局光照前，单独增加了一个流程专门用于计算平行光对场景的影响。

本发明的做法是从面片P的位置出发，朝向平行光N的方向投射出一条光线，这条光线与场景中的其他面片作相交检测，如果光线没有与任何面片相交，则面片P可以被平行光N照射到。

对于每一个被平行光N照射到的面片P，根据其世界坐标与法向，由以下公式计算得到该面片接收到的来自平行光源N的入射辐射亮度L。

L＝L_N*cos(d_N，n_P)

其中d_N为平行光的方向，nP面片P的法线方向，L_N为平行光N的出射辐射亮度。

计算结果被保存在光照贴图中，这一步得到的光照贴图作为后续辐射度计算时第一轮迭代的输入数据。

5.3)可见性与形状因子计算

完成平行光的计算后，进行面片与面片之间的可见性以及形状因子的计算，本发明的做法是将摄像机放在某个面片P_i的位置，朝向面片法线方向n_i做一次绘制，得到从面片P_i的位置与角度能看到哪些面片，从而利用光栅化原理得出面片 P_i与其他面片P_j(j≠i)的可见性。

形状因子的计算也是在这一步完成，本发明通过光栅化的方式判断可见性，实际上可以把光栅化流程中的单个片元(fragment)作为一次对形状因子的采样。

将摄像机的位置和法线设为面片P_i的位置与法线后，对场景中其他网格作光栅化，网格会被分解为大量像素大小的片元。在视锥体范围外的片元由于是不可见的，因此会被剔除，而在视锥体范围内的片元即是光线从面片P_i出发，能够到达的所有片元。由于片元的划分与面片无关，因此在光栅化后，所有视锥体范围内的面片会被分解成数量不等的片元，本发明将视锥体内每一个片元视为一次从面片P_i出发的光线的采样。由于片元大小是固定的，一个面片包含的片元数量 N_j代表了对该面片的采样次数，N_j占总采样次数∑N_k(k≠i)的比例代表了从面片Pi出发投射一条光线，该光线击中面片P_j(j≠i)的概率p_ij。该概率是对面片P_i和面片P_j之间形状因子K_ij的无偏估计。由于对形状因子精确解的计算非常复杂，本发明在实际实现中作了一个近似，直接将该概率p_ij视为形状因子K_ij，由此可以得到下式：

K_ij≈p_ij＝N_j/ΣN_k(j≠i，k≠i)

综上所述，为了计算形状因子，本发明从面片P_i的位置与法线方向对场景作光栅化，本发明需要得到每个面片含有的片元数量，本发明使用纹理的单个像素来代表单个面片，因此对于面片的每一个需要存储的数据，本发明都使用纹理来存储，这里本发明同样使用了一张单通道的整型纹理贴图来存储每个面片所包含的片元数量。在片元着色器中，本发明根据当前片元的uv值，将贴图中对应位置的值加1。这样当所有片元完成计算后，贴图中每一个位置的数值就代表了对应面片的片元数N_j。

由于该纹理贴图的数值类型为整型，因此本发明使用OpenGL提供的atomic math功能，保证贴图中的值自增操作的原子性。

除了每个面片的片元数，本发明还需要知道当前网格在视锥体范围内的片元的总数，本发明对所有纹理贴图中纹理坐标为(0，y)或(x，0)的位置是不对应任何面片的，本发明可以利用这些空间来存储其他需要存储的值。本发明使用了贴图的(0，0)坐标处存储当前网格的片元总数∑N_k。

光栅化流程中的视锥体范围不足以及透视投影的变换会导致片元数产生失真，因此本发明在片元着色器1中统计完片元数后，用半球空间法解决视锥体范围不足产生的失真，用预先计算的数学因子抵消透视投影产生的失真，从而对片元数的失真作修正。之后，利用修正后的片元数在顶点着色器2中计算得到每个面片的形状因子。

本发明从纹理中读取得到的片元数为整型，由于后续计算得到的形状因子是浮点型，因此在上述两步对片元数作修正时，没有必要保持整型数据。完成上述两步后，本发明得到经过修正的浮点型片元数，此时可以计算得到形状因子K_ij。

对片元数的修正与形状因子的计算都在顶点着色器2中完成，本发明传输了数目等同于面片数的顶点进入着色器，每个顶点的属性只有纹理坐标。在顶点着色器2中，对每个顶点，本发明读取两个纹理，从纹理1中读取片元数，根据前文所述对其进行修正，再计算得到形状因子。

考虑大气传输效应的影响，在计算出形状因子后，根据下式对形状因子用大气透过率α加权，得到一个同时考虑传统辐射度算法形状因子和大气辐射传输效应的新形状因子K′_ij；

K′_ij＝αK_ij

5.4)生成光照贴图

得到形状因子K′_ij后，计算出所有面片的入射辐射度，并写入纹理2中。对入射辐射度进行迭代计算直至收敛，每一轮迭代使用上一轮的计算结果。

最后一轮迭代后，本发明可以得到每个面片的入射辐射度，根据面片吸收率计算每个面片吸收的热辐射以及反射的辐射度，根据吸收的热辐射计算出面片接收到的热能，据此修正面片温度；将反射的辐射度视为面片的出射辐射度，即场景热辐射，将其存储为光照贴图。

6)绘制仿真结果

根据上一步计算得到的光照贴图，用光栅化绘制场景，得到最终仿真效果，场景的局部仿真效果如图5所示。

本发明的仿真结果与实拍图的相似度可以通过巴氏距离法进行验证，下面将本发明的仿真结果与传统的Blinn-Phong模型的仿真结果作一个相似度的对比。

这里需要说明的是，实际油罐目标与仿真油罐模型之间有着细长扶栏及侧面扶梯等细节造型差别，因此红外绘制图像与实拍图也有相应的细微差别。

图6是油罐目标在中午11:00的仿真结果与中午11:02的红外实拍图像的对比。从中本发明可以看出，对于太阳辐射影响较大的场景，计算场景的热辐射传热带来的真实性修正在视觉上不是很明显，此时太阳直射辐射对成像的影响比重较高。

根据巴氏距离法测算，本发明的红外辐射度模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为70.23％，而传统Blinn-Phong模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为70.12％，两者较为接近。可以看出对于直接受到太阳直射的室外场景，太阳辐射的影响占据主导因素，不过本发明的辐射度模型由于考虑了场景中的漫反射，真实度仍有一定提升。

图7为同一油罐目标在夜晚22：00的仿真结果以及夜晚21：54实拍的红外图像的对比。通过对比本发明可以看出，在没有受到太阳直射辐射时，热辐射传热对于场景成像的影响较为明显。在没有用辐射度算法计算场景的热辐射传热的情况下，Blinn-Phong模型绘制的结果中油罐顶部辐射亮度比侧壁高，这是由于没有考虑侧壁收到的来自场景其他曲面的热辐射传热，也没有考虑来自其他曲面的漫反射辐射。本发明模型在考虑了前述两个因素后，绘制结果中油罐侧面辐射亮度显著高于顶面，真实性有比较大的提升。

根据巴氏距离测算，本发明的红外辐射度模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为88.37％，而传统Blinn-Phong模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为85.85％，相似度的提升较为明显。可以看出，对于夜晚油罐的仿真，应用了辐射度计算热辐射和场景漫反射的仿真结果更接近真实成像，这证明了本发明红外辐射绘制模型的优势。

图8是楼房目标在中午11：00的仿真结果与中午11：02的红外实拍图像的对比。与油罐目标类似，本发明的红外辐射度模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为78.90％，而传统Blinn-Phong模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为77.60％，本发明模型的仿真真实度较之Blinn-Phong模型有一定提升。

图9是同一楼房目标在夜晚22：00的仿真结果与夜晚21：51的红外实拍图像的对比。本发明的红外辐射度模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为 82.09％，而传统Blinn-Phong模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为 76.96％，和油罐类似，本发明模型在夜晚的仿真真实度较之Blinn-Phong模型提升较大。

需要说明的是，由于仓库目标的实拍图中存在较多视觉障碍物(如路牌、钢架、货箱)等，因此用Blinn-Phong模型和本发明模型仿真的结果与实拍图相似度均比较低。

图10是仓库目标在中午11：00的仿真结果与中午11：02的红外实拍图像的对比。本发明的红外辐射度模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为 71.52％，而传统Blinn-Phong模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为 71.00％。

图11是同一仓库目标在夜晚22：00的仿真结果与夜晚21：53的红外实拍图像的对比。本发明的红外辐射度模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为62.44％，而传统Blinn-Phong模型仿真图与红外实拍图像之间的图像相似度为 57.14％，与前文所述其他目标类似，虽然两个仿真模型的绘制结果与实拍图相似度均较低，但对比之下同样证实了本发明模型算法的优势。

根据上述比对数据，本发明在下面的表中列出了这三种场景目标的不同绘制模型效果与实拍红外图像对比统计。

从表中本发明可以看出，本发明的红外辐射度绘制模型的红外图像绘制效果普遍优于传统的Blinn-Phong模型的绘制效果。在夜晚受太阳辐射影响较小时，本发明方法对绘制结果真实度的提升较为明显，在白天直接接收太阳辐射的区域，本发明方法与Blinn-Phong模型的差异比较微小。

下表对比了Blinn-Phong模型和本发明模型对于各目标的仿真图像与实拍图像相似度均值的差异。

从表中可以看出，对于有太阳直射的中午时段的场景，本发明模型的红外仿真图像的平均相似度提高了约0.65个百分点，对于没有太阳直射的夜晚时段的场景，本发明模型的红外仿真图像的平均相似度提高了约4.32个百分点，取得了相当明显的改进。

能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于辐射度原理设计的虚拟场景红外绘制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)测定场景材质的红外数据，所述的红外数据包括各材质的红外发射率、红外反射率和红外吸收率；搭建虚拟场景模型；

2)计算得到场景的太阳辐射和大气背景辐射，以及大气传输效应；

3)将场景中的物体简化为灰体，根据测定的材质发射率计算热辐射，并在计算温度场与红外辐射时均考虑热辐射的影响；计算场景热辐射，初始热辐射由太阳直射辐射和大气背景辐射生成；

4)基于前述步骤计算得到的场景热辐射更新场景表面的温度场，并根据新的温度场再次进行步骤3)的计算，计算得到场景热辐射；

5)基于步骤4)得到的场景热辐射，计算场景所有面片的出射辐射度，存储为光照贴图，使用光栅化绘制得到最终的仿真结果。

2.权利要求1中所述的一种基于OpenGL实现的辐射度绘制方法，其特征在于：所述步骤3)中的计算场景热辐射包括如下步骤：

a)网格细分

对于场景中每一个网格，构造三个纹理贴图，将网格划分为面片并利用UV坐标表示每个面片的数据；

b)平行光的绘制

由于辐射度算法的数学原理是对场景中的面片作积分，而平行光不存在光源位置的信息，因此需要计算平行光对场景的影响；

c)可见性与形状因子计算

将摄像机放在某个面片P_i的位置，朝向面片法线方向n_i做一次绘制，得到从面片P_i的位置与角度能看到哪些面片，从而利用光栅化原理得出面片P_i与其他面片P_j(j≠i)的可见性；

通过光栅化的方式判断可见性，把光栅化流程中的单个片元(fragment)作为一次对形状因子的采样；

从面片P_i的位置与法线方向对场景作光栅化，从而得到每个面片含有的片元数量，使用纹理的单个像素来代表单个面片，因此对于面片的每一个需要存储的数据，都使用纹理来存储，使用了一张单通道的整型纹理贴图来存储每个面片所包含的片元数量；在片元着色器中，根据当前片元的uv值，将贴图中对应位置的值加1；这样当所有片元完成计算后，贴图中每一个位置的数值就代表了对应面片的片元数N_j；

由于该纹理贴图的数值类型为整型，因此本发明使用OpenGL提供的atomic math功能，保证贴图中的值自增操作的原子性；

所有纹理贴图中纹理坐标为(0，y)或(x，0)的位置是不对应任何面片的，使用纹理贴图的(0，0)坐标处存储当前网格的片元总数∑N_k；

在片元着色器1中统计完片元数后，光栅化流程中的视锥体范围不足以及透视投影的变换会导致片元数产生失真，失真包括视锥体范围不足产生的失真和透视投影产生的失真，用半球空间法解决视锥体范围不足产生的失真，用预先计算的数学因子抵消透视投影产生的失真，从而对片元数的失真作修正，之后，在顶点着色器2中根据下式计算得到每个面片的形状因子K_ij：

K_ij＝N_j/∑N_k(j≠i，k≠i)

考虑大气传输效应的影响，对形状因子加权，得到新形状因子K′_ij：

d)生成光照贴图

用步骤c)计算得到的形状因子K′_ij，计算场景的热辐射。

3.根据权利要求2所述的一种基于OpenGL实现的辐射度绘制方法，其特征在于：所述的网络细分具体为：

对于场景中每一个网格，构造三个纹理贴图：坐标贴图、法线贴图、光照贴图；通过纹理和UV展开的方式，将网格划分为面片并利用UV坐标表示每个面片的数据；

将面片的纹理坐标以顶点数据的形式传给OpenGL的顶点着色器，每一个顶点对应一个面片，用顶点着色器并行地对每个面片平行光光照亮度与面片形状因子进行计算。

4.根据权利要求3所述的一种基于OpenGL实现的辐射度绘制方法，其特征在于：所述的平行光的绘制具体为：

从面片P的位置出发，朝向平行光N的方向投射出一条光线，这条光线与场景中的其他面片作相交检测，如果光线没有与任何面片相交，则面片P可以被平行光N照射到；如果光线与面片相交，则计算该面片的辐射度；

对于每一个被平行光N照射到的面片P，根据其世界坐标与法线方向，由以下公式计算得到该面片接收到的来自平行光源N的入射辐射亮度L，

L＝L_N*cos(d_N，n_P)

其中d_N为平行光的方向，n_P为面片P的法线方向，L_N为平行光N的出射辐射亮度；

计算结果被保存在光照贴图中，得到的光照贴图作为后续辐射度计算时第一轮迭代的输入数据。

5.根据权利要求2所述的一种基于OpenGL实现的辐射度绘制方法，其特征在于：所述的考虑大气传输效应的影响，对形状因子加权，得到新形状因子K′_ij，具体为：

考虑大气传输效应的影响，在计算出形状因子后，根据下式对形状因子用大气透过率α加权，得到一个同时考虑传统辐射度算法形状因子和大气辐射传输效应的新形状因子K′_ij：

K′_ij＝αK_ij。

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