一种双向路径跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种双向路径跟踪方法，该方法基于多重重要性采样的单样本模型进行双向路径的构建，并通过均匀选择法使得各采样方法产生样本数相当；该方法支持各种全局光照效果的渲染，在各类场景中表现鲁棒，且可达到交互式的运行速率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图形绘制
，尤其涉及（即单样本双向 路径跟踪方法，One-sample BDPT)。
技术介绍
基于物理的真实感渲染一直是计算机图形学的重要研宄方向，而以实时的速率获 得真实的全局光照效果，是图形学研宄者们追求的目标。随着GPU通用计算的不断发展，很 多渲染方法开始往GPU上移植。如今已经出现了基于GPU的路径跟踪引擎，展现了实时的全 局光照渲染结果，让人看到了传统的基于光线跟踪的全局光照渲染方法在GPU上的潜力。 现今在GPU上实现的全局光照方法，包括路径跟踪方法和光子映射方法，它们 方法本身比较适合GPU架构，可以充分利用GPU的并行能力。路径跟踪方法原理简单， 在渲染多种光影效果如焦散时，由于其对困难路径的采样效率低下，一般需要非常高的 采样率才能达到满意的渲染效果，这也就意味着方法需要运行很长时间。而光子映射 方法与路径跟踪方法相比，尽管在渲染焦散等效果方面有明显的优势，但其收敛速度较 慢，需要发射很多光子才能得到较精确的渲染结果，否则渲染图像上存在模糊的低频的 噪声。这两种方法的原理以及GPU上的实现改进可参考：Kajiya，J.T. (1986, August). The rendering equation. In ACM Siggraph Computer Graphics(Vol. 20,No.4, pp.143-150).Shirley, P. , Wang, C. , &Zimmerman, K. (1996). Monte Carlo techniques for direct lighting calculations. ACM Transactions on Graphics(TOG), 15(1),1-36. ACM. Jensen, H.ff. (2001).Realistic image synthesis using photon mapping.AK Peters, Ltd. . Hachisuka, T. , Ogaki, S. , &Jensen, H. ff. (2008). Progressive photon mapping. ACM Transactions on Graphics (TOG), 27 (5), 130. Novak, J. , Havran, V. , & Dachsbacher,C. (2010).Path regeneration for interactive path tracing.Proc EUROGRAPHICS Short Papers.Hachisuka, T. , &Jensen, H. ff. (2010, December). Parallel progressive photon mapping on GPUs. In ACM SIGGRAPH ASIA 2010Sketches (p. 54). ACM〇 双向路径跟踪方法（Bidirectional Path Tracing，简称为BDPT)作为一种通 用的全局光照方法，其与单向路径跟踪方法相比，在各类场景设置下均表现鲁棒，因为它 的双向路径构建方式有利于采样困难路径；而与光子映射方法相比，它又具有更快的收 敛速率。在该方法中应用多重重要性采样技术之后（称为MIS BDPT)，方法渲染结果噪 声将更加小。因而双向路径跟踪方法是一种非常实用的全局光照方法。然而该方法并没 有像前面两种方法那样在GPU上得到广泛实现，主要是因为该方法本身并不适合GPU架 构，一方面该方法的路径构建耗时很长，难以满足交互式渲染的性能要求，另一方该方法 对每个像素都需要保存完整的采样路径，对内存需求巨大，限制了其在GPU上的有效实 现。而其对内存的需求又归结为两方面的限制，一是计算多重重要性加权权值的过程中 需要遍历路径上的所有顶点，二是缘于其路径构建方式，需要将光源子路径和相机子路径 上的顶点两两相连，因而也要求存储所有顶点。关于双向路径跟踪方法可以参考以下论JC：Lafortune, E. P. , &ffillems, Y. D. (1993, December). Bi-directional path tracing. In Proceedings of CompuGraphics(Vol. 93, pp. 145-153). Veach, E. , &Guibas, L. (1995). Bidirectional estimators for light transport.In Photorealistic Rendering Techniques(pp. 145-167). Springer Berlin Heidelberg. Veach, E. (1997). Robust monte carlo methods for light transport simulation(Doctoral dissertation, Stanford University). Veach, E. , &Guibas, L. J. (1995, September). Optimally combining sampling techniques for Monte Carlo rendering.In Proceedings of the 22nd annual conference on Computer graphics and interactive techniques(pp. 419-428). ACM〇 Streaming BDPT是对MIS BDPT的一个有效改进，它去除了 MIS BDPT需要保存完 整路径的限制，大大降低了其内存需求。该方法首先引入了一个递归计算多重重要性采样 权重的方法，将部分中间计算结果保存在两条子路径的端点，计算权重时只需要用到端点 处存储的数据，因而不需要遍历两条子路径；另一方面，该方法提出了一种更适合GPU实现 的路径生成方式，也去除了存储整条路径的限制。该方法可以参考以下论文：Antwerpen, D. G. (2011). Recursive MIS Computation for Streaming BDPT on the GPU. Technical report/Delft University of Technology - 2011。 Streaming BDPT虽然降低了双向路径跟踪方法对内存的需求，但是在实际渲染系 统中应用该方法仍存在如下问题：一方面，相比路径跟踪方法，该方法的路径构建方式引入 的时间代价很大，大大降低了渲染系统的运行速率，无法满足交互式渲染的性能要求；另一 方面，由于该方法的路径构建方式在相机子路径和光源子路径端分配的时间不平衡，会导 致光源子路径主导的光影效果（如精细的焦散形状）的采样效率不高。
技术实现思路
本专利技术针对在交互式渲染系统中全局光照的高精度高效率绘制问题，提供一种双 向路径跟踪方法。 本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：，该方法基 于多重重要性采样的单样本模型进行双向路径的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向路径跟踪方法，其特征在于，该方法基于多重重要性采样的单样本模型进行双向路径的构建，并通过均匀选择法使得各采样方法产生样本数相当。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：严俊，任重，侯启明，周昆，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33