基于虚拟光源和自适应稀疏矩阵还原的全局光照绘制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟光源和自适应稀疏矩阵还原的全局光照绘制方法，包括：确定待绘制场景的视觉采样器、虚拟光源以及各个虚拟光源的光源信息；所述的视觉采样器包括摄像机在待绘制场景的几何网格表面的渲染点以及在待绘制场景的介质中的视线段，所述的虚拟光源包括虚拟点光源和虚拟线光源；构建待绘制场景的光传递矩阵，根据虚拟光源的光源信息建立相应的光树，依据光树中对光传递矩阵按列进行稀疏矩阵还原：将各个像素点对应的视觉采样器的光照值进行加权求和，以加权求和结果作为该像素点的亮度值。本发明专利技术能够实现带介质的场景的绘制，且对于每个光传递矩阵利用部分元素进行稀疏矩阵还原，大大提高了绘制效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像
，尤其涉及一种基于虚拟光源和自适应稀疏矩阵还原的全局光照绘制方法。
技术介绍
全局光照是计算机图形学中非常重要的研究领域，通过对大自然中光照情况的模拟，捕捉真实环境中的光的多次传播、折射、反射所产生的软影、间接折射等光照效果，这些效果能大大加强渲染效果的真实感。这一技术常用于电影、动画、三维模型的渲染中。全局光照有多种实现方法，例如辐射度、光线追踪、环境光遮蔽、光子贴图。大量光源(Many-light)的方法是其中一类重要的全局光照技术，它在场景中生成大量虚拟光源，包括虚拟点光源(VirtualPointLight，VPL)和虚拟线光源(VirtualRayLight,VRL)，通过分别计算各视角采样器被这些虚拟光源照亮的程度来获得全局光照效果，其中视角采样器包括渲染点(ShadingPoints)和视线段(EyeRay)。通过把复杂的多次传播问题简化为采样器被虚拟光源直接照亮问题，为全局光照问题提供了一个统一的数学框架，并且拥有很高的灵活性，可以根据实际需要调节算法的复杂度。为进一步提高绘制速度，提高实时性，Wald等人专利技术了基于大量点光源框架的光割(lightcuts)方法，将虚拟点光源建立层次结构并使用层次结构树的一个割集代表所有虚拟点光源，减少运算量并加快了运算速度。Novák等人专利技术了虚拟线光源(VirtualRayLight,VRL)方法，使用虚拟线光源模拟介质(比如雾)的光能贡献，扩大了多光技术的应用范围。近年来，随着不同研究者对光割方法的不断完善，大量光源框架已经成为了实现全局光照方法中效率很高的一种。但是，光割方法仍然需要进行大量计算，平均每个视角采样点需要计算几百到上千个虚拟光源对它的贡献，严重制约了绘制速度，实时性差。因此可以看出，效率仍然是限制其应用发展的主要瓶颈。针对该问题，公开号为CN103971397A和CN105335995A的中国专利申请中公开了一种基于光割技术的多光渲染方法，其使用全局的稀疏矩阵还原法加快了多光渲染速度，提高光渲染效率，但是，由于受到光割技术的限制，该渲染方法只能适用于不带介质的场景中。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于虚拟光源和自适应稀疏矩阵还原的全局光照绘制方法，才使用自适应矩阵还原技术，可以结合虚拟线光源(VirtualRayLight,VRL)方法渲染带有介质的场景，具有更高的普适性，且渲染速率快。一种基于虚拟光源和自适应稀疏矩阵还原的全局光照绘制方法，包括如下步骤：(1)确定待绘制场景的视觉采样器、虚拟光源以及各个虚拟光源的光源信息；所述的视觉采样器包括摄像机在待绘制场景的几何网格表面的渲染点以及在待绘制场景的介质中的视线段，所述的虚拟光源包括虚拟点光源和虚拟线光源；(2)构建待绘制场景的光传递矩阵，所述光传递矩阵的行与视觉采样器一一对应，列与虚拟光源一一对应；(3)根据虚拟光源的光源信息建立相应的光树，以光树的根节点作为当前节点，通过如下步骤对光传递矩阵进行按列的稀疏矩阵还原：(3-1)以光传递矩阵中与光树中当前节点包含的叶节点所对应的列为列采样集，对该列采样集进行列稀疏采样得到采样列；(3-2)针对每个采样列，选取若干元素作为参考元素并计算各个参考元素的值，然后利用参考元素的值对该列进行稀疏还原求解该采样列；(3-3)根据所有求解的采样列的计算当前节点的误差，若误差小于预设的误差阈值，则计算当前节点对应的虚拟光源对各个视觉采样器的光照值；否则，则针对光树中当前节点的左、右子节点分别执行返回步骤(3-1)～(3-3)；(4)根据各个视觉采样器的对应像素点标记，确定各个像素点对应的视觉采样器，将各个像素点对应的视觉采样器的光照值进行加权求和，以加权求和结果作为该像素点的亮度值。循环步骤(3-1)～(3-3)时会存在执行到叶子节点，此时不考虑误差大小一旦达叶子节点即结束循环。本专利技术的全局光照绘制方法中首先需要以下输入以下信息：目标绘制场景(即待绘制场景)的几何网格(即一些三角面片)，以及各个几何网格的法向量；绘制场景中的介质信息(即包含介质信息的空间网格)，一系列虚拟光源，包括各个虚拟光源的材质信息、位置信息(实际上包括在目标绘制场景中的中位置，以及方向)和能量信息，以及摄像机的空间信息(包括摄像机的位置和方向)。本专利技术中采用SBVH方法(空间分割包围盒，Spatialsplitsinboundingvolumehierarchies，SBVH)构建几何网格的空间加速结构，并利用所述的空间加速结构和摄像机的位置信息，采用光线追踪法确定摄像机在几何网格中的视觉采样器，并确定各个视觉采样器的采样信息。所述步骤(2)中构建的光传递矩阵中所有元素均未知，可以理解为构建的光传递矩阵中每个元素均为空。每一对应一个的虚拟光源，虚拟光源可以是打到几何表面上的虚拟点光源或者一段通过介质(比如烟雾)的虚拟线光源。且光传递矩阵的元素可分为四类，分别如下：(a)用于表示虚拟点光源到渲染点的贡献值：V(x，y)G(x，y)f(x，y)L(1)其中x表示渲染点，y表示虚拟点光源，V(x,y)表示两点间的广义可见项，G(x,y)表示两点间的几何项，L表示虚拟点光源y的强度，f(x,y)表示渲染点x到虚拟点光源y(即向着虚拟点光源y方向)的材质项。(b)用于表示虚拟点光源到视线段的贡献值： ∫ 0 u V ( x , y ) G ( x , y ) L ( y ) f ( x , y ) d t − − − ( 2 ) ]]>其中x＝a+td表示视线段上的一个点，u为视线段的长度，d为视线段的方向，a为视线段的起始位置，y表示虚拟点光源，V(x,y)表示两点间的广义可见项，G(x,y)表示两点间的几何项，L表示光源y的强度，f(x,y)表示x到y的材质项；(c)用于表示虚拟线光源到渲染点的贡献值： ∫ 0 v V 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟光源和自适应稀疏矩阵还原的全局光照绘制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定待绘制场景的视觉采样器、虚拟光源以及各个虚拟光源的光源信息；所述的视觉采样器包括摄像机在待绘制场景的几何网格表面的渲染点以及在待绘制场景的介质中的视线段，所述的虚拟光源包括虚拟点光源和虚拟线光源；(2)构建待绘制场景的光传递矩阵，所述光传递矩阵的行与视觉采样器一一对应，列与虚拟光源一一对应；(3)根据虚拟光源的光源信息建立相应的光树，以光树的根节点作为当前节点，通过如下步骤对光传递矩阵按列进行稀疏矩阵还原：(3‑1)以光传递矩阵中与光树中当前节点包含的叶节点所对应的列为列采样集，对该列采样集进行列稀疏采样得到采样列；(3‑2)针对每个采样列，选取若干元素作为参考元素并计算各个参考元素的值，然后利用参考元素的值对该列进行稀疏还原求解该采样列；(3‑3)根据所有求解的采样列计算当前节点的误差，若误差小于预设的误差阈值，则计算当前节点对应的虚拟光源对各个视觉采样器的光照值；否则，则针对光树中当前节点的左、右子节点分别执行返回步骤(3‑1)～(3‑3)；(4)根据各个视觉采样器的对应像素点标记，确定各个像素点对应的视觉采样器，将各个像素点对应的视觉采样器的光照值进行加权求和，以加权求和结果作为该像素点的亮度值。...

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟光源和自适应稀疏矩阵还原的全局光照绘制方法，其特征在于，包括
如下步骤：
(1)确定待绘制场景的视觉采样器、虚拟光源以及各个虚拟光源的光源信息；所述的视
觉采样器包括摄像机在待绘制场景的几何网格表面的渲染点以及在待绘制场景的介质中
的视线段，所述的虚拟光源包括虚拟点光源和虚拟线光源；
(2)构建待绘制场景的光传递矩阵，所述光传递矩阵的行与视觉采样器一一对应，列与
虚拟光源一一对应；
(3)根据虚拟光源的光源信息建立相应的光树，以光树的根节点作为当前节点，通过如
下步骤对光传递矩阵按列进行稀疏矩阵还原：
(3-1)以光传递矩阵中与光树中当前节点包含的叶节点所对应的列为列采样集，对该
列采样集进行列稀疏采样得到采样列；
(3-2)针对每个采样列，选取若干元素作为参考元素并计算各个参考元素的值，然后利
用参考元素的值对该列进行稀疏还原求解该采样列；
(3-3)根据所有求解的采样列计算当前节点的误差，若误差小于预设的误差阈值，则计
算当前节点对应的虚拟光源对各个视觉采样器的光照值；
否则，则针对光树中当前节点的左、右子节点分别执行返回步骤(3-1)～(3-3)；
(4)根据各个视觉采样器的对应像素点标记，确定各个像素点对应的视觉采样器，将各
个像素点对应的视觉采样器的光照值进行加权求和，以加权求和结果作为该像素点的亮度
值。
2.如权利要求1所述的基于虚拟光源和自适应稀疏矩阵还原的全局光照绘制方法，其
特征在于，所述步骤(1)中还包括确定各个视觉采样器的采样信息；
对于渲染点，所述的采样信息包括该渲染点的位置、材质和对应像素点标记；对于视线
段，所述的采样信息包括该视线段的位置、介质和对应像素点标记，其中，渲染点的位置包
括位置和法向量；视线段的位置包括起始位置，方...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍虎军，王锐，霍宇驰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33