专利名称：一种三通道的透明材质的高真实感渲染方法
技术领域：
本发明涉及计算机图形渲染技术领域，尤其涉及一种三通道的透明材质的高真实感渲染方法。
背景技术：
在计算机图形学真实感渲染领域和虚拟现实中，准确的对真实世界的光照进行虚拟建模来生成真实感图像是一个具有挑战性的难题。许多学者为真实感图形的渲染提出过很多光亮度虚拟模型，来描述各种材料的光散射行为。其中绝大部分的模型是基于BRDF和BSSRDF，这些模型都假设真实的光线是从物体的表面的同一个点进入和离开。如果物体的表面是金属材质，这种假设和真实世界的光学行为是接近的，而且渲染得出的结果是能够产生比较高的真实感效果。但是对于光线能够穿透表面并在表面下传输的透明物体来讲，BRDF和BSSRDF模型就不能够完全反应真实世界光照行为。当光线照射到透明物体对象的外表面时，一部分光线从外表面反射，另外一部分光线穿透外表面层，在透明物体的内部进行按照一定的规律散射，并从物体外表面其它点出去，这种光学现象叫做次表面散射。传统的次表面散射在计算时会被简化成Lambertian漫反射，但这种简化会使最后生成的渲染图像很不真实。计算机图形学领域中，最早描述次物体表面反射的数学模型是由Hamrahan和Krueger[Hanrahan, P., Krueger, ff.: Reflection from layered surfaces due to subsurfacescattering.1n:Proceedings of SIGGRAPH93, Computer Graphics Proceedings, AnnualConference Series, pp.165 - 174(1993)]提出的，该数学模型对同构的、均质的单层散射进行数学建模描述，并应用光子映射来对次表面散射进行虚拟模拟，这种方法可以用来 宣染风化石头。Pharr 和 Hanrahan [Pharr, Μ.，Hanrahan, P.Μ.:Monte Carlo evaluationof nonlinear scattering equations for subsurface reflection.1n:Proceedingsof ACM SIGGRAPH2000, Computer Graphics Proceedings, Annual ConferenceSeries, pp.75 - 84(2000)]提出了一种非线性散射方程的方法,该描述次表面散射比传统的MonteCarlo射线跟踪具有更高的效率。对于散射度高的材质，Stam[Stam, J.:Multiplescattering as a diffusion process.1n:Eurographics Renderingfforkshopl995, pp.41-50 (1995)]首先提出了漫反射建模，并采用多重网格的方法来计算漫反射方程的近似值。Jensen [10.Jensen, H.ff., Marschner, S.R., Levoy, M., Hanrahan, P.: A practical modelfor subsurface light transport.1n:Proceedings of ACM SIGGRAPH2001, ComputerGraphics Proceedings, Annual Conference Series, pp.511 - 518 (2001)]等人提出的基于次表面散射的BSSRDF分析模型，该数学模型将计算时间从几分钟降到了几秒钟，大大提高了渲染效率。尽管目前许多学者在某种程度上已经改进了透明材质渲染的速度，但是由于对透明材质的渲染大多需要复杂的方法或者需要特定的数据结构，因此很难集成到现有的渲染系统中。
发明内容
本发明提供了一种三通道的透明材质的高真实感渲染方法，该方法简单，可高效生成透明材质的高分辨率的图像，生成的图像真实感高，且能和Monte Carlo的射线跟踪方法、扫描线方法、全局光照方法等进行无缝集成。一种三通道的透明材质的高真实感渲染方法，包括以下步骤:(I)第一次通道渲染对待渲染的物体表面进行采样获得若干采样点，计算采样点的次表面亮度并保存在缓存中；(2)第二次通道渲染根据各采样点的次表面亮度，对处在各采样点周围的点进行次表面亮度值、次表面亮度梯度值和亮度的变化范围值进行预计算，并将预计算结果保存在所述缓存中；(3)第三次通道渲染对步骤(2)的预渲染结果进行插值得到待渲染的物体表面上所有点的次表面亮度，再根据这些次表面亮度计算所有点的亮度值生成最后的渲染图像。在第一次通道渲染时，本发明仅仅对物体表面上选择的点进行光亮度的计算，第二次通道渲染时，对所用缓存进行采样并保存，它保存的值包括次表面亮度、次表面亮度的梯度等，通过预计算的光亮度值计算采样点周围点的光亮度的变化范围，第三次通道渲染使用缓存重新插值来生成最后的渲染 图像。本发明的第二次通道渲染仅用来生成渲染用的缓存，不需要对缓存进行插值，针对缓存插值是在第三次通道中进行的，可高效生成透明材质的高分辨率的图像。下面分别对三次通道渲染进行详细说明:(I)第一次通道渲染:步骤(I)中所述采样点为物体表面每个面的质心，并把这个面的面积作为与这个点相关的面积，采用该方法的时候，如果采样的三维模型太粗糙则会导致最后生成的渲染图像中有低频的噪音，可通过将粗糙的三维模型细分的方法消除噪音。本发明米用Jensen 提出[Jensen，H.W.，Marschner，S.R.,Levoyj Μ.,Hanrahan, P.:A practical model forsubsurface light transport.1n:Proceedingsof ACM SIGGRAPH2001，ComputerGraphics Proceedings, AnnualConference]的8叉树结构来存储每个采样点的位置、与采样点相关的面积及次表面亮度值。这样，通过不同的采样点的聚集，可以指数级减少采样的时间。每一个8叉树的节点，都包含平均位置，平均次表面亮度，所有子节点的面积。采样点的次表面亮度值的计算方程为:S = f Eip^R.1p^ P0JdPi
J π^Α其中，S是次表面亮度值；Rd是漫反射的BSSRDF函数；Pi和P。是物体内部的点和表面的点；
A是物体表面的单位表面积；//Q7.)是点Pi处的光辉传输函数。本发明采用的是缓存技术，所以不使用任何的渲染技术来计算全局光照(考虑到场景中物体之间的互反射以及环境光的效果)的亮度，而是仅将每一个光源的亮度的贡献求和，来计算每个采样点的直接次表面亮度。(2)第二次通道渲染:步骤(2)先采用射线法寻找一个可见点的集合X，针对每一个在集合X中的点Xi,查看以前生成的缓存是否可以用来插值。比如，任意一个缓存k: ω (k)>l/a，如果找到，就忽略这次计算，如果没有找到，就在Xi点处重新生成一个新的缓存，并计算与其相关的次表面亮度值、次表面亮度梯度值及可见点附近表面的光亮度的变化范围值汾.Π).SjSixt K F。本发明采用从下到上的扫描线顺序。存储的缓存数据包括可见点的次表面亮度值S、次表面亮度梯度值及可见点附近表面的光亮度的变化范围值V。可见点的次表面亮度值S 采用[Jensen, H.W.，Buhler, J.:Arapidhierarchicalrendering technique fortranslucent materials.ACM Trans.Graphics21 (3)，576 - 581 (2002)]提出的快速分级的积分技术。可见点的次表面亮度梯度值VS利用积分推导技术，计算方程如下:
权利要求
1.一种三通道的透明材质的高真实感渲染方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)第一次通道渲染 对待渲染的物体表面进行采样获得若干采样点，计算采样点的次表面亮度并保存在缓存中； (2)第二次通道渲染 根据各采样点的次表面亮度，对处在各采样点周围的点进行次表面亮度值、次表面亮度梯度值和亮度的变化范围值进行预计算，并将预计算结果保存在所述缓存中； (3)第三次通道渲染 对步骤(2)的预渲染结果进行插值得到待渲染的物体表面上所有点的次表面亮度，再根据这些次表面亮度计算所有点的亮度值生成最后的渲染图像。
2.如权利要求1所述的三通道的透明材质的高真实感渲染方法，其特征在于，采样时，先在待渲染的物体表面生成若干多边形上，将各个多边形的质心作为所述采样点。
3.如权利要求1所 述的三通道的透明材质的高真实感渲染方法，其特征在于，所述缓存中的数据存放方式采用8叉树结构。
4.如权利要求1所述的三通道的透明材质的高真实感渲染方法，其特征在于，步骤(I)中采样点的次表面亮度值的计算方程为:
5.如权利要求4所述的三通道的透明材质的高真实感渲染方法，其特征在于，步骤(2)中次表面亮度梯度值的计算方程为:
6.如权利要求5所述的三通道的透明材质的高真实感渲染方法，其特征在于，步骤(3)中物体表面上所有点的次表面亮度值插值计算方程为:
全文摘要
本发明公开了一种三通道的透明材质的高真实感渲染方法，包括以下步骤首先进行第一次通道渲染，对待渲染的物体表面进行采样获得若干采样点，计算采样点的次表面亮度并保存在缓存中；然后进行第二次通道渲染，根据各采样点的次表面亮度，对处在各采样点周围的点进行次表面亮度值、次表面亮度梯度值和亮度的变化范围值进行预计算，并将预计算结果保存在所述缓存中；最后进行第三次通道渲染，对预渲染结果进行插值得到待渲染的物体表面上所有点的次表面亮度，再根据这些次表面亮度计算所有点的亮度值生成最后的渲染图像。本发明的渲染方法简单，可高效生成透明材质的高分辨率的图像，生成的图像真实感高。
文档编号G06T15/00GK103226839SQ20131014139
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者赵磊, 许端清, 任艳姣, 陆胜, 李伟 申请人:浙江大学