【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及真实感图形渲染领域，尤其涉及一种基于双向反射分布函数的可视化工具及设计系统及方法。
技术介绍
1、双向反射分布函数(brdf)是计算机图形学、光学和视觉效果领域的一个重要概念。它描述了表面或材料对于入射光线的反射行为，即当光线照射到一个表面时，brdf定义了不同方向上的反射光强度分布。brdf对于模拟光线的传播和相互作用在各种应用中至关重要，在计算机图形学中的逼真渲染、虚拟现实环境的创建、材料科学中的材料特性分析，以及光学设计中的光线模拟和系统优化中有十分重要的作用。
2、传统的brdf数据通常以大量数字数据或数学表达式的形式存在，不易以直观的方式理解，给非专业用户以及跨学科研究者使用相关模型带来了巨大的学习成本和技术挑战。为了测量某个物体表面材质的双向反射分布函数往往需要测量大量角度，以及不同光照条件下的采样分布数据，这些数据在储存、处理和可视化上往往有比较大的开销。另外，对于散射分布函数的直接可视化往往不可导出和表面材质有关的有意义物理量(例如表面的粗糙度、表面的金属度、表面的镜面反射以及漫反射等的比例关系)，
技术实现思路
1、针对传统的brdf数据可视化难度大、反射效果不够符合实际的问题，提供了一种可视化双向反射分布函数的系统及方法。
2、本专利技术的技术方案为：
3、一种双向反射分布函数的可视化系统，包括数据采集模块、brdf模型计算模块、输出模块以及用户界面；
4、数据采集模块涵盖了光度传感器、可调单色光源和
5、brdf模型计算模块负责自定义brdf模型的创建、参数调整、对离散brdf数据集的拟合工作，可直接承接brdf数据集或者来自数据采集模块的数据，brdf模型计算模块将产生解析形式的brdf函数，交给输出模块处理；
6、输出模块允许对解析形式的brdf模型进行直接求值，并且能够处理相关坐标图的绘制工作，另外，输出模块还支持指定入射角度下，反射波瓣的绘制以及对某brdf材质下简单几何对象的渲染和复杂场景的渲染功能；
7、图形用户界面模块是用户直接和可视化系统进行交互的部分，用户通过此界面向系统下达数据采集、数据导入、模型可视化以及材质参数调整命令，并且需要承载可视化结果的展示；
8、解析模型、用户的自定义模型可以直接发送给brdf计算模块进行数据处理，在此之后可以交给输出模块进行相关的可视化输出，而用户界面在数据流动的线索中负责接受输出模块的可视化数据进行可视化结果的承载，同时用户界面中的所有命令交互行为可以影响所有其他的模块；
9、输出模块中包含两种对散射分布函数数据的可视化方法，分别是对物体反射波瓣的可视化、对动态光照条件下表面材质渲染效果的可视化。
10、进一步的，使用一种参数表示方法以及最优化方法对离散brdf数据集进行拟合，拟合代价函数为有阻尼的二次残差平方和，优化算法为梯度下降法和拟牛顿法，确保了最优的参数选择。
11、进一步的，输出模块中的渲染过程采用双向路径追踪的算法，在执行过程中，需要在着色点位置采样场景环境光照，这里需要自适应地在环境光变化较大的区域密集采样，而在环境光变化较小的区域进行稀疏采样，采样的概率分布通过对离散的brdf的拟合或者对已有brdf的定义得到。
12、进一步的，输出模型中的渲染过程采用光子映射的算法，将路径追踪方法中向场景中发射的光线数据结构中携带的光亮度数据修改为光通量，并将追踪的轮数从一轮增加为多轮，在场景的击中位置累加光线对指定位置光通量的影响；在击中位置生成间接光路的密度分布与场景表面材质所使用的双向反射分布函数以及对应余弦值的乘积成正比，在追踪过程中，可以复用之前保存的追踪结果。
13、进一步的，可视化系统允许用户使用自定义的glsl函数来自定义双向反射分布函数的实现。
14、一种双向反射分布函数的可视化方法，用于系统内的拟合步骤，具体的拟合步骤如下：
15、定义拟合函数所使用的参数化形式，这里使用的参数化形式为如下公式(1)：
16、
17、公式(1)中ρd为朗伯漫反射项，ωi,ωr分别表示了入射出射方向，ρs,j·sj(ωi,ωr)描述了镜面光泽反射项中的一个反射波瓣，其中ρs,j代表了第j个波瓣的镜面反射反照率参数，函数sj(ωi,ωr)决定了波瓣的形状，其具体的定义形式如下公式(2)：
18、s(ωi,ωr)＝(cxωi,xωr,x+cyωi,yωr,y+czωi,zωr,z)n (2)
19、cx,cy,cz分别为反射波瓣在x轴，y轴，z轴上的形状控制参数，大小可以决定反射波瓣在指定坐标轴方向上的水平大小；ωi,x,ωi,y,ωi,z代表入射方向向量在x轴，y轴,z轴方向上的分量，ωr,x,ωr,y,ωr,z代表反射方向向量在x轴，y轴，z轴方向上的分量，n为次方的乘积形式；
20、该反射波瓣的参数化表达形式提供了对多个反射光瓣的灵活近似能力；
21、使用有阻尼的二次残差平方和作为成本函数，将拟合问题简化为这个代价函数的一个最小化优化问题；
22、为公式(1)、公式(2)的参数设置初始估计值；这些初始值可以是随机的，也可以是基于对材质的先验知识的猜测；
23、使用梯度下降法或者拟牛顿法来最小化代价函数，迭代调整模型的参数，以使减小误差；
24、对拟合质量进行评估，如果整体误差小于预设的阈值，则采用这一拟合结果。
25、一种双向反射分布函数的可视化方法，用于输出模块内，是对反射波瓣的可视化方法：brdf描述了不同入射角度和出射角度下的反射光强度，对于一束以特定角度射入物体表面的入射光，在物体brdf确定的情况下，与此束光对应在各个方向中的出射光的能量分布也应是确定的，具体包括以下步骤：
26、第1步：通过用户输入确定光线的入射角，根据brdf函数的具体表达形式，对于散射方向在半球中进行采样，获取指定方向的平均光照强度；
27、第2步：利用球坐标图、等高线图的方式对计算得到的各个方向的反射光照数据进行可视化；
28、第3步：提供用户交互界面，允许用户调整入射角度或其他参数，以实时观察反射波瓣的变化。
29、一种双向反射分布函数的可视化方法，用于输出模块内，是对动态光照条件下表面材质渲染效果的可视化方法，具体包括以下步骤：
30、用户选择或定义不同的光照条件，模拟不同的照明情况，以考察材质在各种光照环境下的光学特性；
31、用户选择使用的双向反射分布函数类型；
32、得到施加了反射分布函数的材质球，以及一个应用了用户提供的光照条件的动态光照场景；
33、对动态光照场景进行场景全局光照重建。
34、进一步的，在重建场景全局光照时，使用混合双向路径追踪的算法来进行场景的渲染本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种双向反射分布函数的可视化系统，其特征在于，包括数据采集模块、BRDF模型计算模块、输出模块以及用户界面；
2.根据权利要求1所述的双向反射分布函数的可视化系统，其特征在于，使用一种参数表示方法以及最优化方法对离散BRDF数据集进行拟合，拟合代价函数为有阻尼的二次残差平方和，优化算法为梯度下降法和拟牛顿法，确保了最优的参数选择。
3.根据权利要求1所述的双向反射分布函数的可视化系统，其特征在于，输出模块中的渲染过程采用双向路径追踪的算法，在执行过程中，需要在着色点位置采样场景环境光照，这里需要自适应地在环境光变化较大的区域密集采样，而在环境光变化较小的区域进行稀疏采样，采样的概率分布通过对离散的BRDF的拟合或者对已有BRDF的定义得到。
4.根据权利要求3所述的双向反射分布函数的可视化系统，其特征在于，输出模型中的渲染过程采用光子映射的算法，将路径追踪方法中向场景中发射的光线数据结构中携带的光亮度数据修改为光通量，并将追踪的轮数从一轮增加为多轮，在场景的击中位置累加光线对指定位置光通量的影响；在击中位置生成间接光路的密度分布与场景表面材
5.根据权利要求1所述的双向反射分布函数的可视化系统，其特征在于，可视化系统允许用户使用自定义的GLSL函数来自定义双向反射分布函数的实现。
6.一种双向反射分布函数的可视化方法，其特征在于，用于如权利要求2所述的系统内的拟合步骤，具体的拟合步骤如下：
7.一种双向反射分布函数的可视化方法，其特征在于，用于如权利要求1所述的输出模块内，是对反射波瓣的可视化方法：BRDF描述了不同入射角度和出射角度下的反射光强度，对于一束以特定角度射入物体表面的入射光，在物体BRDF确定的情况下，与此束光对应在各个方向中的出射光的能量分布也应是确定的，具体包括以下步骤：
8.一种双向反射分布函数的可视化方法，其特征在于，用于如权利要求1所述的输出模块内，是对动态光照条件下表面材质渲染效果的可视化方法，具体包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的双向反射分布函数的可视化方法，其特征在于，在重建场景全局光照时，使用混合双向路径追踪的算法来进行场景的渲染，具体执行步骤如下：
10.根据权利要求9所述的双向反射分布函数的可视化方法，其特征在于，将双向路径追踪方法中向场景中发射的光线数据结构中携带的光亮度数据修改为光通量,并将追踪的轮数从一轮增加为多轮，在场景的击中位置累加光线对指定位置光通量的影响；在击中位置生成间接光路的密度分布与场景表面材质所使用的双向反射分布函数以及对应余弦值的乘积成正比，在追踪过程中，可以复用之前保存的追踪结果。
...【技术特征摘要】
1.一种双向反射分布函数的可视化系统，其特征在于，包括数据采集模块、brdf模型计算模块、输出模块以及用户界面；
2.根据权利要求1所述的双向反射分布函数的可视化系统，其特征在于，使用一种参数表示方法以及最优化方法对离散brdf数据集进行拟合，拟合代价函数为有阻尼的二次残差平方和，优化算法为梯度下降法和拟牛顿法，确保了最优的参数选择。
3.根据权利要求1所述的双向反射分布函数的可视化系统，其特征在于，输出模块中的渲染过程采用双向路径追踪的算法，在执行过程中，需要在着色点位置采样场景环境光照，这里需要自适应地在环境光变化较大的区域密集采样，而在环境光变化较小的区域进行稀疏采样，采样的概率分布通过对离散的brdf的拟合或者对已有brdf的定义得到。
4.根据权利要求3所述的双向反射分布函数的可视化系统，其特征在于，输出模型中的渲染过程采用光子映射的算法，将路径追踪方法中向场景中发射的光线数据结构中携带的光亮度数据修改为光通量，并将追踪的轮数从一轮增加为多轮，在场景的击中位置累加光线对指定位置光通量的影响；在击中位置生成间接光路的密度分布与场景表面材质所使用的双向反射分布函数以及对应余弦值的乘积成正比，在追踪过程中，可以复用之前保存的追踪结果。
5.根据权利要求1所述的双向反射分布函数的可视化系统，其特征在于，可视化系统允许用户使用自定义...
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