專利名稱：一種基于brdf的次表面散射的實時繪制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及次表面散射的實時繪制，尤其是與雙向表面散射反射分布函數(shù) (Bidirectional Surface Scattering Reflectance Distribution Function，BSSRDF)有關(guān)的繪制方法。
背景技術(shù)：
次表面散射現(xiàn)象是半透明物體所特有的一種復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象，由于在物理模擬中，半透明標(biāo)材質(zhì)與光線的實際交互作用尤其復(fù)雜，還沒有做到真正的模擬?，F(xiàn)階段人們提出一些化簡模型來模擬這一復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象。目前人們主要采用預(yù)計算(PRT)或只在物理空間近似模擬多次散射的方法來進(jìn)行次表面散射的繪制，但無論是預(yù)計算還是物理空間中的近似模擬都會帶來大量的計算量，嚴(yán)重制約了算法的繪制效率。目前對半透明物體的次表面散射繪制方法大致可以分為以下三類。1)基于物理模擬的次表面散射繪制方法半透明物體的次表面散射最初是由Ishmaru于1978年根據(jù)光線與物體的交互作用提出的。但由于該方法僅僅描述了入射和出射半透明物體光線間的關(guān)系，并不直接對應(yīng)于描述半透明效果的物理量，對于半透明物體的繪制都需要通過復(fù)雜的計算來模擬光線在特定散射度和吸收系數(shù)介質(zhì)中的傳輸，而且繪制效率較為低下。Jensen等提出了偶極光源(Dipole)(如附圖
2所示)近似的方法將BSSRDF中光照模型分解為單次次表面散射和多次次表面散射，并在多次次表面散射中首先使用了偶極光源的方法進(jìn)行了近似，使繪制速度得到很大的提高。為了提高算法的繪制速度Jensen隨后又提出一種兩篇分級繪制方法。算法通過對半透明物體內(nèi)部散射的兩次劃分估計，把物體表面光照計算和內(nèi)部散射部分進(jìn)行分離，來提高算法的繪制效率。第一遍用于計算半透明物體表面特定點的光照強度，第二遍則通過快速分級積分的方式獲得物體多次次表面散射的近似估計。但由于當(dāng)時條件的局限，算法仍然在CPU上執(zhí)行，沒有充分的運用硬件資源進(jìn)行加速。2)基于PRT方法的次表面散射繪制方法Hao提出了一種基于球面諧波的實時繪制方法。該方法是對Jensen方法的進(jìn)一步改進(jìn)，算法依然采用兩遍分級的方法進(jìn)行繪制。在預(yù)計算環(huán)節(jié)算法利用球面諧波的球面徑向基函數(shù)間積分易于計算的性質(zhì)對預(yù)計算積分進(jìn)行壓縮再存儲。Wang于2005提出了一種基于預(yù)計算輻射傳輸全頻光線算法。算法通過對單次次表面散射進(jìn)行預(yù)計算和對相位角函數(shù)進(jìn)行相似估計，很大程度的提高了最終的繪制效率。 Wang又提出了一種基于預(yù)計算的半透明物體實時繪制方法。算法通過主元分析將偶極光源近似模型中的漫散射(多次次表面散射)材質(zhì)進(jìn)行分解，并對預(yù)計算數(shù)據(jù)P在空域上進(jìn)行二次小波壓縮，在保證繪制質(zhì)量的前提下，大大壓縮了數(shù)據(jù)，提升了繪制效率。3)次表面散射的近似實時繪制方法這一類算法的主要目標(biāo)在于半透明物體的實時繪制上，Green對光照模型進(jìn)行了改進(jìn)，使背對著光源的物體表面也能夠得到一定的光照值，代表著從半透明物體內(nèi)部透過的光照，可以增加真實感效果。但這種方法在一定程度上只能模擬低頻光線的交互散射現(xiàn)象，未能實現(xiàn)全頻光照。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是以BSSRDF的經(jīng)典理論模型Jensen模型為基礎(chǔ)， 對單次次表面散射模型進(jìn)行基于雙向反射分布函數(shù)BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)的近似逼近，對多次散射的部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時引入延遲著色的思想，在保證圖像的真實感的前提下，完成半透明物體次表面散射的實時繪制。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為(1)單次次表面散射基于雙向反射分布函數(shù)BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)的逼近與多次次表面散射參數(shù)的調(diào)整。因為影響次表面散射最終效果的主要因素是多次散射，因此可以通過簡化積分操作，來得到單次散射的光照計算。為了實現(xiàn)出射光線是由不同光線的貢獻(xiàn)在不同的入射點計算得到的，我們采用的采樣技術(shù)對中心點周圍的點進(jìn)行重點采樣，然后按照距離中心點的距離設(shè)置不同的配重系數(shù)進(jìn)行累加計算。根據(jù)光路可逆的原理，單入射光的BRDF反射可以轉(zhuǎn)化為對入射光進(jìn)行多方采樣，計算出單一反射光線。通過對單次次表面散射和BRDF的光照計算作比化簡，得到最后的公式
權(quán)利要求
1. 一種基于BRDF的次表面散射的實時繪制方法，包括步驟(1)對單次次表面散射模型進(jìn)行基于雙向反射分布函數(shù)BRDF的近似逼近，為了提高場景的繪制速度，對單次次表面散射進(jìn)行積分化簡，繪制得到單次次表面散射的顏色紋理; 與此同時對多次次表面散射進(jìn)行繪制，按照偶極光源模型，對部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到多次次表面散射的繪制方程，繪制多次次表面散射顏色紋理；最終獲得散射光照分量的顏色紋理；(2)利用光照模型分解方法，對光照模型分解為Phone模型、散射模型以及補償光照模型，分別使用Phone光照模型計算方法和折射公式得到Phone模型和補償光照模型的顏色紋理，結(jié)合之前步驟(1)中的散射光照分量的顏色紋理，融入延遲著色的思想，充分利用 GPU的并行計算，計算得到最終的光照。
全文摘要
一種基于BRDF的次表面散射的實時繪制方法，包括首先將光照模型分解為Phone模型、散射模型以及補償光照；其次對次表面散射模型改進(jìn)采用BRDF的方法來近似逼近次表面散射中的單次次表面散射，通過對積分的化簡，簡化傳統(tǒng)光照模型所帶來的大量計算量來提高繪制效率。最后對次表面散射進(jìn)行實時繪制通過引入延遲著色的思想，采用GPU技術(shù)，在圖像空間完成對次表面散射的實時繪制。本發(fā)明采用BRDF的逼近的方法，實現(xiàn)次表面散射繪制的實時性，在保證真實感繪制的同時提高了計算性能。
文檔編號G06T15/50GK102314704SQ201110281048
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者李鴻飛, 沈哲, 王莉莉, 郝愛民 申請人:北京航空航天大學(xué)