一種真實感天空的實時渲染方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對真實感天空實時渲染的高效方法。包括天空幾何模型，色調(diào)重現(xiàn)技術(shù)，暗視效果的模擬，各類光源模擬。本發(fā)明的新穎之處在于充分考慮了天空的晝夜變化，對夜空中特有的各類光源如月球、星體、黃道光和氣輝等進(jìn)行分析，并通過色調(diào)重現(xiàn)和暗視效果的模擬實現(xiàn)天空的真實感渲染。本方法特別適合適用于室外場景的渲染，具有實時性好，仿真度高，平臺兼容性好的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種真實感天空的實時渲染方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明與計算機(jī)圖形學(xué)有關(guān)，隨著流計算平臺GPU技術(shù)的快速進(jìn)步，為圖形學(xué)的 發(fā)展提供了重要的硬件平臺。本發(fā)明涉及一種基于流計算平臺GPU的真實感天空的實時渲 染方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 天空、水、云、雨、雪等自然現(xiàn)象的實時渲染研究一直都是計算機(jī)圖形學(xué)的研究熱 點(diǎn)，同時渲染效果的真實感已逐漸成為目前研究的重要方向，其中天空由于包括多種天體 以及存在著大氣散射、空氣污染、時間相關(guān)性等諸多影響因素而成為研究的難點(diǎn)之一. 天空的渲染包括天空模型的建立和計算結(jié)果渲染兩部分，而模型則又可以進(jìn)一步細(xì)分 為基于物理的模型和基于分析的模型?；谖锢淼哪Ｐ椭饕紤]大氣對光照的影響，包括 吸收、折射以及Rayleigh散射和Mie散射等，由于大氣效果的計算需要消耗大量計算資源， 因而這類方法主要是通過簡化大氣特性來計算，或是通過建立獨(dú)特的大氣模型實現(xiàn)對大氣 的光學(xué)特性的模擬。另一類重要的方法是通過GPU實現(xiàn)光照計算的加速. 在先方法[1](參見 Riley K, Ebert D, Kraus M, et al. Efficient rendering of atmospheric phenomena. In: Eurographics Symposium on Rendering. Norrkoping, Sweden: Eurographics association, 2004. 375-386)米用基于物理的模型對天空進(jìn)行 模擬，結(jié)果比較精確，雖然采用了加速算法，在實時性方面依然不能令人滿意. 在先方法[2](參見 O'Neil S. Accurate Atmospheric Scattering. Pharr M. GPU Gems 2. Boston: Addison-Wesley，2005. 253-268)米用基于分析的模型，主要是通過對 長期觀測的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立起天空的光照模型，因而無需進(jìn)行大氣特性的復(fù)雜計 算，實時性較好。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 現(xiàn)代流計算技術(shù)為基于GPU的真實感天空實時渲染提供了良好的平臺和巨大的 靈活性。本發(fā)明建立一種在流處理器上實現(xiàn)真實感天空實時渲染的方法，解決天空由于包 括多種天體以及存在著大氣散射、空氣污染、時間相關(guān)性等諸多影響因素而造成實時渲染 困難的問題. 本發(fā)明的真實感天空實時渲染的方法首先采用分析模型實現(xiàn)天空光照的計算；在夜空 渲染中，考慮月球等天體以及其它因素對天空光照影響，最后建立一種新穎的色調(diào)重現(xiàn)算 法，在GPU平臺上實現(xiàn)天空的實時渲染，并對來自月光、太陽的間接光照、黃道光、氣輝以及 少量來自于銀河系的漫射光和慧星等的光照進(jìn)行了模擬. 本發(fā)明的基本原理如下： 一、本發(fā)明采用分析模型實現(xiàn)天空光照的計算，該模型采用公式（1)作為特征函數(shù)

【權(quán)利要求】
1. 一種在流處理器上針對真實感天空實時渲染的高效方法，其特征在于所述方法為： 本發(fā)明采用分析模型實現(xiàn)天空光照的計算，該模型采用公式（1)作為特征函數(shù)
(1) 式中，Λ51為地平線附近的亮度梯度參數(shù)，CD j為散射相關(guān)參數(shù)，β和y為角度。
2. 通過對在反五個參數(shù)設(shè)置不同的值，可以實現(xiàn)15種常規(guī)天空光照模型.依 據(jù)上述模型，天空中任一觀察方向上的輝度F由上述的特征函數(shù)和天頂處的輝度決定，具 體由公式⑵計算
(2) 式中?；為天頂處的輝度，采用Y表示輝度是基于CIE的標(biāo)準(zhǔn)和下面提到的^7顏色空 間。
3. 在夜空渲染中，計算月球等天體以及其它因素對天空光照影響.夜空的光照主要 來自月光、太陽的間接光照、黃道光、氣輝以及少量來自于銀河系的漫射光和慧星等的光 照.當(dāng)給定月相角口和距離d時月球的輻照度為公式（3)
(3) 式中，&為月球的半徑，尾?為太陽到達(dá)月球表面的輻照度，毛*為地球到達(dá)月球表面 的輻照度，常數(shù)Q為滿月時的平均反照率，Q =〇.〇72。
4. 夜空中星體的照度是由天文學(xué)中的視星等決定的，給定夜空中任一星體，其視星等 由公式（4)計算
(4) 式中，馬是星光到達(dá)地球時的輻照度，反之給定某星體的視星等，其輻照度由公式（5) 計算
(5)。
5. -種新穎的色調(diào)重現(xiàn)算法.真實感渲染的目的是使渲染出的場景與觀察者看到的 真實場景一致，因而盡管光照結(jié)果是按照真實場景中的光照計算出來的，但是最終由顯示 設(shè)備輸出的渲染結(jié)果與觀察者看到的真實場景仍然有一定的差距，這主要是由于顯示設(shè)備 的局限性造成的.輻照度是場景亮度的重要特性，但是人眼對不同波長的光敏感性是不同 的，更重要的是，人眼對亮度在時空上的變化比對亮度的絕對值更敏感.設(shè)真實場景的輝 度為4 ,人眼觀察到的輝度為，則人眼觀察到的真實場景亮度^由公式（6)計算
(6) 式中，--和#為真實場景的調(diào)節(jié)函數(shù)，分別為由公式（7)定義
(7) 假設(shè)顯示設(shè)備的輝度為4，人眼觀察到的輝度為，顯示設(shè)備的亮度馬可由公式 (8)計算
(8) 由于色調(diào)重現(xiàn)是保持人眼觀察到的顯示設(shè)備輸出的亮度與觀察到的真實場景的亮度 一致，即I = 5,，因而得到公式（9)
(9) 對于給定的顯示設(shè)備，設(shè)其伽馬校正值為Χ，其幀緩存的值為[(XI],則輝度可由公 式（10)計算
(10) 因而可計算幀緩存的值
(11) 式中，4^為顯示設(shè)備的環(huán)境輝度，為顯示設(shè)備的最大輝度，《又稱作色調(diào)重現(xiàn) 的操作符，其值應(yīng)箝位在[〇, 1]范圍內(nèi)，最終的色調(diào)重現(xiàn)操作符由公式（12)計算
在所要求的權(quán)利要求中本權(quán)利項最為重要。
【文檔編號】G06T15/00GK104143206SQ201310171915
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月12日
【發(fā)明者】張澤旭, 王綱 申請人:哈爾濱點(diǎn)石仿真科技有限公司