一种实时变焦光线追踪渲染引擎制造技术

本专利发明专利技术了一种实时变焦光线追踪渲染引擎。该引擎使用光线追踪渲染技术，将三维场景模型的数据通过计算转换为二维数字图像，图像中的每一个像素的颜色值都根据三维场景中的物体的几何结构、物体表面及内部的光学特性等参数决定。本专利通过对虚拟摄像机模型的建模，实现了虚拟摄像头对焦距等参数变化的实时处理。通过对同光口径、焦距等参数的动态配置，用户使用本专利发明专利技术的虚拟摄像机数据结构，可以实时地观察并获得有背景虚化效果的渲染结果。

A real-time zoom ray tracing rendering engine

This patent has invented a real-time zoom ray tracing rendering engine. The engine uses ray tracing rendering technology, the 3D model of the data by calculating the conversion of two-dimensional digital image, in the image of each pixel color value according to the three-dimensional objects in the scene geometry, surface and internal optical properties parameters. By modeling the virtual camera model, this patent realizes the real-time processing of the change of the focal length and other parameters by the virtual camera. Through the dynamic allocation of optical aperture, focal length, users of the virtual camera data structure of the invention patent, real time observation and obtain the bokeh effect rendering results.

【技术实现步骤摘要】
一种实时变焦光线追踪渲染引擎
本专利技术属于计算机图形学中三维场景渲染算法实现，具体地是使用光线追踪渲染算法，建立可实时变焦的摄像机模型，将三维场景模型转换为可视的二维图片。
技术介绍
渲染是选取一个或多个视角，将描述三维场景的数据模型通过计算，输出二维数字图片的过程。渲染是计算机图形学中“可视化”的重要步骤。渲染是将输入的三维场景模型数据通过计算得到像素阵列的过程。渲染算法的核心，是厘清场景中的每一个物体对每一个像素的影响。从场景中的物体和画面上的像素的关系考虑，渲染技术可以被分成两类：对象导向渲染(Object-orderRendering)和像素导向渲染(Image-orderRendering)。对象导向渲染从三维场景中每个物体的角度出发，依次考察每个物体对所有像素的影响；像素导向渲染从二维画面中的每个像素的角度出发，依次考察每个像素，以及作用于被考察像素的所有物体。通常，渲染算法必须在渲染速度和输出结果的保真度上做出一定的取舍，有的渲染方式提供很好的实时交互性能，即牺牲了保真度而保全了渲染速度；有的渲染方式则通过高出几个数量级的计算复杂度，即牺牲了速度而保全了保真度。正是为了应对各种软硬件系统中交互速度和保真度的折中和取舍，研究者专利技术了多种渲染算法。简单快速的算法常常忽略许多光学效应，比如仅考虑到本地着色和阴影。这类方法属于“本地照明算法”(LocalIlluminationAlgorithm)，因为此类算法只考虑一部分光线，而忽略了大部分与反射或透射表面相关的光路。与之相反的，“全局照明算法”(GlobalIlluminationAlgorithm)则更为完整地模拟了场景中发生的光学现象，有时甚至包括交互漫反射和焦散等较复杂的光学现象。比如渲染一个阳光下的水池的场景时，考虑水池底部材料的漫反射现象。全局照明算法有两个计算特点：(1)难以预测数据访问的模式；(2)较高的算法复杂度。用全局照明算法渲染一幅高品质的图片常常需要花费上百小时，对一部数十帧每秒(fps)的电影做渲染，耗费的时间数以月计，常常渲染一部电影需要处理几百太拉字节(Terabyte)的场景数据和临时数据。全局照明渲染算法数据访问模式的难以预测和三维场景数据和临时数据的规模之庞大，也意味着即便存在某种直接的并行方式，由于计算机系统的存储资源的限制，它能胜任渲染工作的可能性也很小。同时，通用微处理器的发展速度已经难以跟上三维模型场景复杂度的发展，图片大小和着色的复杂度也超出了通用微处理器的性能。因此，根据全局照明算法原理设计的硬件计算系统进入了研究者的视野。下面介绍一种并行化的光线追踪算法，也介绍光能传递和粒子追踪等其他可并行化的全局照明渲染算法。光线追踪是一种将三维场景数据转换成二维图片的算法。这种算法意在通过使用计算机程序对真实世界中宏观光学现象的模拟，以达到高质量的渲染，即“物理真实”的图片。光线追踪算法的原理是：追踪光线穿越三维场景的过程中，场景中物体对光线的作用。光线追踪算法包含以下模型：(1)镜头模型：镜头负责产生从视点发出的射线，进入三维场景。(2)射线-物体相交：根据射线的几何参数和三维场景中图元的分布几何参数，确定从镜头发出的射线与三维场景中的哪些物体相交；(3)光源模型：点光源、平面光源等光源模型；(4)场景中物体表面散射函数：(5)递推光线追踪：光线在光滑物体的表面改变方向后继续传播，需要确定次生光线的传播方向和光强；(6)光线传播模型：当光线在透明的物体中传播时，光强会减弱，使用比尔定律等表述这一现象的数学模型建立光线传播模型。
技术实现思路
本专利实现了在光线追踪渲染程序中的镜头焦距参数实时动态化。如说明书附图1所示，建立一个虚拟摄像机模型，放置于三维场景中的某一点，即摄像机有方向和方位参数。摄像机包括视点O和矩形视平面ABCD。摄像机定义了一套新的坐标系统，称为“摄像机坐标系”，摄像机坐标系的z轴如说明书附图1所示，是原点为视点O，方向指向视平面ABCD的中心点。摄像机模型中有一个“世界坐标系---摄像机坐标系转换公式”，这一公式将定义三维场景的图元原本的坐标，即在“世界坐标系”中的坐标数据，转换为在摄像机坐标系中的坐标数据。通常使用的虚拟摄像机模型是如附图2所示的“小孔摄像机模型”。在针孔摄像机模型中使用一个小孔取代镜头，场景中的光线经过小孔使底片曝光而成像。使用小孔摄像机模型产生的渲染图片处处锐利，不符合真实的摄影器材拍摄的结果，也不符合人的眼睛捕捉到画面的结果。真实的摄像器材中使用弧面透镜作为取光器，产生失焦的摄影效果。如附图3所示，透镜位于底片与场景之间，场景中的点P2位于焦平面、P1不位于焦平面。位于焦平面的点P2发出的光线经过透镜投射在底片上一个清晰的点，而不位于焦平面的点P1发出的光线经过透镜在底片上呈现为一个不清晰的点。本专利使用的程序模拟真实摄像头所拥有的透镜系统，让光通过一个限定大小的光圈聚焦在胶片平面上的。因为这个光圈的面积是非无穷小的，在场景中的任何一个点都可能被投射在胶片平面上被称作模糊圈的区域，如说明书附图3所示。相应地，场景中一个一定大小的区域可能通过一个点在图像平面中呈现一个模糊的图像。模糊圈的大小受到光圈的半径以及目标和透镜之间的距离影响。焦距是透镜到使物体投影到零半径模糊圈的物体平面之间的距离。这些点会很完美的合焦。实际上，目标并不需要完全在焦距平面上来达到锐聚焦；只要模糊圈比一个像素点要小，目标就会呈现合焦的状态。真实生活中的摄像头的光圈是非无穷小的，透镜控制会参考胶片平面来调整透镜的位置。因为光圈是非无穷小的，不是所有场景中的目标在胶片上都会完全合焦。如说明书附图3所示，P1点并没有在完全合焦的平面上，所以在胶片上的图像会是一个模糊区域P1’。P2点是在焦距平面上，所以它在胶片上的图像是一个点P2’而且它是合焦的。不论是增加光圈的大小还是增加物体与焦距平面之间的距离都会增加失焦目标的模糊程度。从透镜到目标呈现合焦状态所在的距离范围被称作透镜的景深。投影相机有两个关于景深的额外参数：一是设置透镜光圈的大小，另一个是设置焦距。光线的起点是透镜上的点。光线的方向使用斯涅尔定律来计算，它描述了光线在通过一个介质(如空气)到另一个介质(如玻璃)的折射行为。我们知道从给定的图像抽样中通过透镜传来的光线必须聚集在聚焦平面上的同一个点。不仅如此，我们知道通过透镜中心的光线是不会受到折射的，所以找到合适的聚集点事实上是从小孔模型和聚焦平面上交叉未受扰动的光线并设置光线为透镜上的点到交点方向的问题。对于这个抽样模型，聚焦平面垂直于z轴，光线起始于原点，所以通过透镜中心到聚焦平面上的光线是一条直线。本次专利使用带有变焦功能的透镜的摄像机模型，以实现可实时变焦的光线追踪渲染。附图说明附图1摄像机模型与三维模型场景示意图”附图2小孔摄像机模型示意图附图3透镜成虚像现象示意图附图4光线追踪流程图附图5失焦处理流程图附图6纹理采样图具体实施方式本专利使用C++编程语言完成了实时变焦光线追踪程序的编程。在程序设计的BlenderCamera结构中使用aperturesize，apertureratio和focaldistance等参数表达模拟摄像头中的光圈大小参数和焦距等参数，这些个参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实时变焦的光线追踪渲染引擎，包括：可实时变焦的虚拟摄像机模型，所述光线追踪渲染引擎，其特征在于，包括：一虚拟摄像机模型。所述渲染引擎基于一个可实时改变焦距和透光口径参数的虚拟摄像机模型。一虚拟摄像机模型的数据结构。所述渲染引擎基于此数据结构。该数据结构中，有可供使用者实时调节的参数，如透光口径和焦距。通过调整上述参数，使用者可以实时地获得背景虚化的渲染效果。一虚拟摄像机模型的数据结构在光线追踪渲染算法中的实施。通过光线追踪渲染算法，将虚拟场景转换成二维的图片，通常处处锐利。使用所述的实时可变焦的虚拟摄像机模型，可以获得实时的背景虚化的渲染效果。

【技术特征摘要】
1.一种实时变焦的光线追踪渲染引擎，包括：可实时变焦的虚拟摄像机模型，所述光线追踪渲染引擎，其特征在于，包括：一虚拟摄像机模型。所述渲染引擎基于一个可实时改变焦距和透光口径参数的虚拟摄像机模型。一虚拟摄像机模型的数据结构。所述渲染引擎基于此数据结构。该数据结构中，有可供使用者实时调节的参数，如透光口径和焦距。通过调整上述参数，使用者可以实时地获得背景虚化的渲染效果。一虚拟摄像机模型的数据结构在光线追踪...

【专利技术属性】
技术研发人员：严伟，袁诗明，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11