專利名稱：一種包含模糊反射效果的3d虛擬場景的左右眼立體畫面繪制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于真實(shí)感3D虛擬場景繪制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種包含模糊反射效果的3D 虛擬場景的左右眼立體畫面繪制方法。
背景技術(shù)：
三維動(dòng)畫電影作為近年來新興的計(jì)算機(jī)藝術(shù)，發(fā)展勢頭非常迅猛，已經(jīng)在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。為了產(chǎn)生更強(qiáng)的視覺沖擊力，目前很多三維動(dòng)畫電影都具有立體視覺效果。立體視覺效果的基本原理是，觀眾在觀看動(dòng)畫電影時(shí)，左右眼能分別互不干擾地看到左右眼虛擬相機(jī)拍攝的圖像畫面，再通過人腦的合成，最終產(chǎn)生畫面的入屏或者出屏效^ ο為了提高三維動(dòng)畫電影畫面的真實(shí)感，往往要求在繪制的圖像中加入全局光照效果。實(shí)現(xiàn)全局光照效果的關(guān)鍵是，正確地模擬3D虛擬場景中的不同物體表面對光的反射過程。在三維圖形繪制中，常見的光照反射類型有鏡面反射(Specular Reflection)、漫反射(Diffuse Reflection)和模糊反射(Glossy Reflection)。鏡面反射和漫反射實(shí)際上可以看成是模糊反射的特例。通常使用雙向反射分布函數(shù)(BRDF)來建模物體表面對光的反射特性。2004年fiscal Gautron等人提出用半球諧和基函數(shù)來表示半球域函數(shù) (Hemispherical Functions)(見 2004 年歐洲圖形學(xué)學(xué)會(huì)出版的 Eurographics Symposium on Rendering 會(huì)議論文集中的論文《A Novel Hemispherical Basis for Accurate and Efficient Rendering〉〉，作者 Pascal Gautron, Jaroslav Krivanek, Sumanta Pattanaik, Kadi Bouatouch)。由于3D虛擬場景中的物體表面的BRDF和入射輻射亮度等物理量實(shí)際上都屬于半球域函數(shù)，因此可以用半球諧和基函數(shù)來表示。傳統(tǒng)的3D虛擬場景立體畫面繪制方法采用分別獨(dú)立繪制左右眼虛擬相機(jī)的圖像畫面的方式來實(shí)現(xiàn)立體畫面的繪制。模糊反射是真實(shí)感3D虛擬場景中的一種常見光照反射類型。然而，由于模糊反射的出射光照值與觀察角密切相關(guān)，而3D虛擬場景中的同一點(diǎn)相對于左右眼虛擬相機(jī)的觀察角通常并不相等。因此，3D虛擬場景中的物體表面上的同一點(diǎn)在左右眼虛擬相機(jī)的圖像畫面的像素中所表現(xiàn)出的光照值通常并不完全相等，這使得左眼虛擬相機(jī)的圖像畫面的模糊反射光照計(jì)算結(jié)果難以直接在右眼虛擬相機(jī)的圖像畫面中復(fù)用。本發(fā)明利用半球諧和基函數(shù)來表示3D虛擬場景中的物體表面的BRDF和入射輻射亮度，通過入射輻射亮度緩存實(shí)現(xiàn)已有計(jì)算結(jié)果的重用，以便提高包含模糊反射效果的3D虛擬場景的左右眼立體畫面繪制的速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種包含模糊反射效果的3D虛擬場景的左右眼立體畫面繪制方法。本發(fā)明方法需要的設(shè)備包括帶有雙核CPU和共享內(nèi)存的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如

圖1 所示，當(dāng)左眼虛擬相機(jī)(101)和右眼虛擬相機(jī)(102)能同時(shí)拍攝到3D虛擬場景中的物體(105)的表面上的點(diǎn)P1、點(diǎn)p2和點(diǎn)p3時(shí)，點(diǎn)P1、點(diǎn)p2和點(diǎn)p3的光照值將分別保存在左眼虛擬相機(jī)(101)的像平面(103)和右眼虛擬相機(jī)(102)的像平面(104)上的像素中。首先將3D 虛擬場景中的漫反射和模糊反射表面的雙向反射分布函數(shù)(Bi-directional Reflectance Distribution Function，縮寫為BRDF)展開成低階半球諧和基函數(shù)(Hemispherical Harmonics Basis Function，縮寫為HSHBF)的累加和的形式，把各階HSHBF的系數(shù)保存在共享內(nèi)存中并與該表面的BRDF相關(guān)聯(lián)。然后在雙核CPU上同時(shí)繪制左眼虛擬相機(jī)(101) 的圖像畫面和右眼虛擬相機(jī)(102)的圖像畫面，將漫反射和模糊反射表面點(diǎn)的入射輻射亮度展開成低階HSHBF的累加和的形式，并保存在入射輻射亮度緩存中，通過基于梯度的入射輻射亮度插值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)入射輻射亮度計(jì)算結(jié)果的重用，從而提高3D虛擬場景的左右眼立體畫面的繪制速度。本發(fā)明方法提供一種入射輻射亮度記錄項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其包括位置分量、局部坐標(biāo)系分量、HSHBF展開系數(shù)分量、HSHBF展開系數(shù)平移梯度分量等成員變量。本發(fā)明方法將入射輻射亮度記錄項(xiàng)保存在位于共享內(nèi)存中的入射輻射亮度緩存中；為了便于根據(jù)空間位置檢索入射輻射亮度緩存中的入射輻射亮度記錄項(xiàng)和向入射輻射亮度緩存中添加新的入射輻射亮度記錄項(xiàng)，入射輻射亮度緩存使用三維空間均勻網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；根據(jù)給定的三維空間位置，可以直接檢索出對應(yīng)網(wǎng)格中的所有入射輻射亮度記錄項(xiàng)， 以及向網(wǎng)格中添加新的入射輻射亮度記錄項(xiàng)。本發(fā)明方法的第一部分計(jì)算3D虛擬場景中的所有漫反射和模糊反射表面的BRDF 的低階HSHBF展開系數(shù)，具體步驟如下步驟SlOl 設(shè)置最低HSHBF階數(shù)Ii1、最高HSHBF階數(shù)nh和HSHBF展開的誤差閾值步驟S102 將漫反射看作是模糊反射的特例，對于3D虛擬場景中的各漫反射和模糊反射表面的BRDF(A101)，標(biāo)記BRDF(A101)能表示成低階HSHBF的累加和的形式，令nv = Ii1，做如下計(jì)算①按余弦分布對正半球空間進(jìn)行空間角度采樣，在每個(gè)角度采樣(氏，外)處計(jì)算 (其中θ。為極角分量，如為方位角分量)
權(quán)利要求
1. 一種包含模糊反射效果的3D虛擬場景的左右眼立體畫面繪制方法，其特征在于，所需的設(shè)備、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)步驟如下本發(fā)明的目的在于提供一種包含模糊反射效果的3D虛擬場景的左右眼立體畫面繪制方法；本發(fā)明方法需要的設(shè)備包括帶有雙核CPU和共享內(nèi)存的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；當(dāng)左眼虛擬相機(jī)(101)和右眼虛擬相機(jī)(102)能同時(shí)拍攝到3D虛擬場景中的物體(105)的表面上的點(diǎn) P1、點(diǎn)P2和點(diǎn)P3時(shí)，點(diǎn)P1、點(diǎn)P2和點(diǎn)P3的光照值將分別保存在左眼虛擬相機(jī)(101)的像平面(10 和右眼虛擬相機(jī)(10 的像平面(104)上的像素中；首先將3D虛擬場景中的漫反射和模糊反射表面的雙向反射分布函數(shù)(Bi-directional Reflectance Distribution Function，縮寫為BRDF)展開成低階半球諧和基函數(shù)(Hemispherical Harmonics Basis Function，縮寫為HSHBF)的累加和的形式，把各階HSHBF的系數(shù)保存在共享內(nèi)存中并與該表面的BRDF相關(guān)聯(lián)；然后在雙核CPU上同時(shí)繪制左眼虛擬相機(jī)(101)的圖像畫面和右眼虛擬相機(jī)(10 的圖像畫面，將漫反射和模糊反射表面點(diǎn)的入射輻射亮度展開成低階HSHBF 的累加和的形式，并保存在入射輻射亮度緩存中，通過基于梯度的入射輻射亮度插值計(jì)算， 實(shí)現(xiàn)入射輻射亮度計(jì)算結(jié)果的重用，從而提高3D虛擬場景的左右眼立體畫面的繪制速度； 本發(fā)明方法提供一種入射輻射亮度記錄項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其包括位置分量、局部坐標(biāo)系分量、HSHBF展開系數(shù)分量、HSHBF展開系數(shù)平移梯度分量等成員變量；本發(fā)明方法將入射輻射亮度記錄項(xiàng)保存在位于共享內(nèi)存中的入射輻射亮度緩存中；為了便于根據(jù)空間位置檢索入射輻射亮度緩存中的入射輻射亮度記錄項(xiàng)和向入射輻射亮度緩存中添加新的入射輻射亮度記錄項(xiàng)，入射輻射亮度緩存使用三維空間均勻網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；根據(jù)給定的三維空間位置，可以直接檢索出對應(yīng)網(wǎng)格中的所有入射輻射亮度記錄項(xiàng)，以及向網(wǎng)格中添加新的入射輻射亮度記錄項(xiàng)；本發(fā)明方法的第一部分計(jì)算3D虛擬場景中的所有漫反射和模糊反射表面的BRDF的低階HSHBF展開系數(shù)，具體步驟如下步驟SlOl 設(shè)置最低HSHBF階數(shù)Ii1、最高HSHBF階數(shù)nh和HSHBF展開的誤差閾值Et ； 步驟S102 將漫反射看作是模糊反射的特例，對于3D虛擬場景中的各漫反射和模糊反射表面的BRDF(AIOI)，標(biāo)記BRDF(AIOI)能表示成低階HSHBF的累加和的形式，令nv = H1, 做如下計(jì)算①按余弦分布對正半球空間進(jìn)行空間角度采樣，在每個(gè)角度采樣(凡,如)處計(jì)算(其中 θ。為極角分量，％為方位角分量)
全文摘要
本發(fā)明公開一種包含模糊反射效果的3D虛擬場景的左右眼立體畫面繪制方法，屬于真實(shí)感三維虛擬場景繪制技術(shù)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的三維虛擬場景的左右眼立體畫面繪制方法采用分別獨(dú)立繪制左右眼虛擬相機(jī)的圖像畫面的方式實(shí)現(xiàn)立體畫面的繪制。本發(fā)明方法在雙核CPU上分別同時(shí)執(zhí)行左右眼虛擬相機(jī)的圖像畫面的繪制程序，左眼虛擬相機(jī)的圖像畫面從第一行像素開始繪制，右眼虛擬相機(jī)的圖像畫面從最后一行像素開始繪制，保證了左右眼虛擬相機(jī)的圖像畫面繪制過程中的入射輻射亮度計(jì)算結(jié)果的可重用性；通過基于梯度的插值方法，在繪制過程中重用了入射輻射亮度計(jì)算結(jié)果。利用本發(fā)明方法繪制三維虛擬場景立體畫面比傳統(tǒng)方法快20％～35％。
文檔編號G06T19/00GK102306401SQ20111022527
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月8日
發(fā)明者從立鋼, 馮欣, 宋小龍, 張育力, 曲福恒, 權(quán)巍, 李巖芳, 楊華民, 范靜濤, 蔣振剛, 薛耀紅, 陳純毅 申請人:長春理工大學(xué)