图形显示系统内的光传输一致的场景简化的制作方法
【专利摘要】提供了图形显示系统内的光传输一致的场景简化。方法包括向包括具有对象表面的对象的原始3-D场景投射第一多个光线。方法还包括构建原始3-D场景的简化表示以及调整简化表示为与原始3-D场景一致。简化表示通过使用从投射所获得的对象表面交点和已知光线来调整，以产生经调整的简化表示。方法进一步包括用于渲染高质量图像的步骤：向经调整的简化表示投射第二多个光线以及测试第二多个光线用于经调整的简化表示内的与对象表面的交叉点、估计经调整的简化表示内的在与对象表面的交叉点处的传入光、检查对象表面的材料性质以及计算与第二多个光线相关联的用于多个像素的颜色和光强度。
【专利说明】图形显示系统内的光传输一致的场景简化
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请和与本申请同时提交的代理人案号为NVID-P-HE-12-0079-US1的专利申请“SURFACE CLASSIFICATION FOR POINT-BASED RENDERING WITHIN GRAPHICS DISPLAYSYSTEM”相关，本文通过援引的方式对其全文加以合并。
【背景技术】
[0003]基于光线跟踪的光传输算法用于通过在场景内投射光线来对三维场景和其照明进行采样。典型地，要求大量光线用于高质量渲染，即具有可接受的噪声级别。由于其复杂性，使用三维场景的简化表示来实施部分光照计算通常是有益的。使用标准k_最邻近(k-nearest neighbor)搜索以适配光线端点的局部密度并且得出用于每一个的半径来创建典型的简化表示。然而，虽然创建简化表示是快速并且自动的，但是无法保证所获得的简化表示准确地表示原始三维场景。由于简化致使的场景误表示(misrepresentation)可导致经渲染图像中的不需要的伪影(artifact)。
【发明内容】
[0004]因此，存在对于创建与原始三维场景一致并准确表示原始三维场景的简化场景表示的计算机图形方法的需求。
[0005]本发明的实施例针对计算机图形方法。经计算机控制的方法包括向包括具有对象表面的对象的原始三维场景投射第一多个光线。第一多个光线可在原始三维场景内重新投射。方法还包括构建原始三维场景的简化表示以及调整简化表示为与原始三维场景的初始采样中所使用的第一多个光线一致。简化表示通过使用从投射所获得的对象表面交点和已知光线来调整，以产生经调整的简化表示。方法进一步包括用于渲染高质量图像的过程，包括:向所述经调整的简化表示投射第二多个光线以及测试第二多个光线用于简化表示内的与对象表面的交叉点、估计经调整的简化表示内的在与对象表面的交叉点处的传入光、检查对象表面的材料性质以及计算与第二多个光线相关联的用于多个像素的颜色和光强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]本发明的实施例通过示例而非限制的方式、在附图中示出，并且其中相似的参考数字指代类似的元件。
[0007]图1示出根据本发明的一个实施例的示例性计算机系统。
[0008]图2描绘根据本发明的一个实施例的原始三维场景和使用原始场景所投射的多个光线。
[0009]图3描绘根据本发明的一个实施例的、具有位于多个光线的交点处的层片(splat)的原始三维场景的简化表示。
[0010]图4描绘根据本发明的一个实施例的、基于使用层片的逼近(approximation)的原始三维场景的简化表示。[0011]图5描绘根据本发明的一个实施例的、其中层片收缩以消除伪(spurious)交点的原始三维场景的经调整的简化表示。
[0012]图6描绘根据本发明的一个实施例的、基于使用经收缩的层片的逼近的原始三维场景的经调整的简化表示。
[0013]图7描绘根据本发明的一个实施例的、根据原始三维场景的简化模型渲染图像的示例性计算机图形方法的流程图。
【具体实施方式】
[0014]现在将对本发明的各种实施例进行详细参考，其示例在附图中示出。虽然结合接下来的实施例论述本发明，但应理解其并不意图将本发明只限定于这些实施例。相反，本发明意在涵盖可包括在如所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替代、修改以及等同。此外，在本发明接下来的详细描述中，阐述了大量具体细节以提供对本发明的彻底理解。然而，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下得以实践。在其他实例中，未详细描述公知的方法、过程、部件和电路以避免对本发明的各方面内容造成不必要的混淆。
[0015]出于说明目的，本文所使用的术语“水平”指与对象的平面或表面平行的平面，而不关注其定向。术语“垂直”指与如刚才所定义的水平垂直的方向。术语诸如“在……上”、“在……下”、“在……底部”、“在……顶部”、“在……侧”、“高于”、“低于”、“在……上面的”、“在……之上”和“在……之下”指的是关于水平平面而言。
[0016]图1示出根据本发明的一个实施例的示例性计算机系统100。计算机系统100描绘根据本发明的实施例的部件，其提供执行平台用于某些基于硬件和基于软件的功能性，具体来讲，计算机图形渲染和显示能力。总而言之，计算机系统100包括系统板106，其包括至少一个中央处理单元(CPU) 102和系统存储器104。CPU102可经由桥接部件/存储器控制器(未示出)耦连到系统存储器104或可经由CPU102内部的存储器控制器(未示出)直接耦连到系统存储器104。
[0017]计算机系统100还包括图形子系统114，其包括至少一个图形处理单元(GPU)llO。例如，图形子系统114可包括在图形卡上。图形子系统114可耦连到显示器116。一个或多个附加GPUllO可以可选地耦连到计算机系统100以进一步提高其计算能力。GPUllO可经由通信总线108耦连到CPU102和系统存储器104。GPUllO可实现为独立部件、设计为经由连接器(例如AGP插槽、PC1-Express插槽等)|禹连到计算机系统100的独立图形卡、独立集成电路裸片(例如直接安装在主板上)、或包括在计算机系统芯片集部件的集成电路裸片(未示出)内的集成GPU。此外，存储器设备112可与GPUllO耦连用于高带宽图形数据存储，例如帧缓冲区。在实施例中，存储器设备112可以是动态随机存取存储器。电源单元(PSU)118可对系统板106和图形子系统114提供电力。
[0018]CPU102和GPUllO也可集成到单个集成`电路裸片中并且CPU和GPU可共享诸如指令逻辑、缓冲区、功能单元等等的各种资源，或者可提供单独资源用于图形和通用操作。GPU可进一步集成到核心逻辑部件中。因此，本文所描述为与GPUllO相关联的任何或所有电路和/或功能性也可在适当地装配的CPU102中实现并由适当地装配的CPU102实施。此外，虽然本文的实施例可参考GPU，但应注意的是，所描述的电路和/或功能性也可在其他类型的处理器内(例如通用或其他专用协处理器)或CPU内实现。[0019]系统100可实现为例如具有耦连到专用图形渲染GPUl 10的强大的通用CPU102的台式计算机系统或服务器计算机系统。在这种实施例中，可包括添加外围总线、专用音频/视频部件、IO设备等的部件。类似地，系统100可实现为便携式设备(例如手机、PDA等)、直播卫星(DBS) /地面机顶盒或机顶视频游戏控制台设备，诸如例如可从华盛顿雷德蒙德市的Microsoft公司得到的Xbox?、或可从日本东京市的Sony计算机娱乐公司得到的
PlayStation3?。系统ioo还可实现为“片上系统”，其中计算设备的电子器件(例如部件
102、104、110、112等)全部包含在单个集成电路裸片内。示例包括具有显示器的手持仪器、汽车导航系统、便携式娱乐系统等。
[0020]图2描绘根据本发明的一个实施例的原始三维计算机图形场景200和使用原始场景200所投射的第一多个光线220。场景可在计算机存储器中表示为存储在其中的图形数据。原始三维场景200是旨在由计算机图形处理系统转变为2-D图像用于图像显示的三维模型。原始三维场景200包括场景内的对象222。在实施例中，图像使用光线跟踪来渲染，该光线跟踪是用于通过跟踪光穿过图像平面中的像素的路径并仿真其遭遇虚拟对象的效果来生成图像的技术。
[0021]根据光线跟踪图形渲染，第一多个光线220投射向原始三维场景200内的对象222。一旦投射，第一多个光线220可与对象222的表面相交224。第一多个光线220还可作为经反射光线、经发射光线或阴影光线在场景200内重新投射数次。第一多个光线220的起点和端点的分布提供关于场景200几何结构的位置和定向的信息。
[0022]当仅相对小数目的光线投射到原始三维场景200中时，产生的经渲染图像典型地是低质量的。典型地，要求大量光线用于高质量渲染以例如将噪声降低到合理级别。在本发明的实施例中，第一多个光线可从对象222反射或折射出来，在原始三维场景200内产生附加光线。在另一个实施例中，更多光线可能需要以重新投射到原始三维场景200中。
[0023]在第一多个光线220投射向对象222之后，构建原始三维场景200的简化表示。
[0024]图3描绘根据本发明的一个实施例的、具有位于第一多个光线220的交点224处的多个层片326的原始三维场景200的简化表示。层片326位于光线端点的切面上，其中第一多个光线220与对象222相交224。在实施例中，层片326是光线端点的切面上的圆。在其他实施例中，层片326可以是椭圆、用剪切线增大的圆、或其他形状。
[0025]根据一个实施例，可通过使用标准k-最邻近搜索以适配第一多个光线220的交点224的局部密度并且得出用于每一个的半径来形成层片326。k-最邻近搜索在本领域中是众所周知的。结果是原始三维场景200几何结构的依照位于光线端点的切面上的层片326的逼近。
[0026]层片326在层片-光线交点328处与第一多个光线220相交。因为层片326与多个光线220相交，所以层片没有准确地逼近原始三维场景200。
[0027]虽然该放置层片326的方法典型地是快速并且自动的，但不保证所获得的原始三维场景的简化表示准确地表示原始三维场景。因此，简化表示可能不适合高质量渲染。
[0028]图4描绘根据本发明的另一个实施例的、基于使用层片326的逼近的原始三维场景(图2)的简化表示400。图4类似于图3，区别是其仅示出放置在光线端点的切面上的层片326。如图4中可见，层片没有准确地逼近原始三维场景200。在简化表示400中，在原始三维场景200中未闭合的一些光线220将与对象222 (图2)相交的情况是可能的。本发明的实施例调整简化表示400以准确地逼近原始三维场景200，如下文所述。
[0029]应理解的是，简化表示400可使用多边形网格或三角网格来表示。
[0030]图5描绘根据本发明的另一个实施例的、其中层片430收缩以消除伪交点328(图3)的原始三维场景200的经调整的简化表示。如先前所述，因为层片326与第一多个光线220相交，所以层片没有准确地逼近原始三维场景200。
[0031]简化表示400 (图4)经调整以与从投射第一多个光线220中所获得的原始输入采样一致。如果向简化表示400 (图4)投射第一多个光线220和向原始三维场景200投射第一多个光线220得到与对象222的表面的相同的交叉点，那么经调整的简化表示是一致的。
[0032]通过跟踪曾用来获得针对简化表示400 (图4)的输入采样的光线以及通过将层片326 (图3)收缩到层片-光线交点328，构建经调整的简化表示。通过将每个层片326 (图3)的半径修改为小于伪交点和层片326 (图3)的原始点之间的距离，层片326 (图3)可以收缩。收缩层片326 (图3)得到经调整的层片430。由于从初始采样中可知第一多个光线220是畅通无阻的直到至少层片-光线交点328为止，所以可以微调简化表示400 (图4)，产生准确地表示原始三维场景200的经调整的简化表示。
[0033]图6描绘根据本发明的另一个实施例的、基于使用经收缩的层片430的逼近的原始三维场景200 (图2)的经调整的简化表示600。图6类似于图5，区别是其仅示出收缩自原始位于光线端点的切面上的层片326 (图3)的经收缩的层片430。如图6中可见，由于不再有任何伪交点328 (图3)，所以层片准确地逼近原始三维场景200。
[0034]层片的收缩致使逼近质量的大幅改进并且使其适合高质量渲染。与在原始三维场景200表示(见图5描述)中相比，所有原始光线命中经调整的简化模型600的相同的位置。在经调整的简化表示600上实施渲染操作得到与在原始三维场景200上实施渲染操作大致类似的结果。
[0035]图7描绘根据本发明的一个实施例的、根据原始三维场景的简化模型渲染图像的计算机控制的示例性方法的流程图700。流程图700的计算机控制的方法可在图1的系统上实现。在块702中，向包括具有对象表面的对象的原始三维场景投射第一多个光线。
[0036]例如，在图2中，向原始三维场景投射第一多个光线。原始三维场景包括具有表面的对象。第一多个光线在对象表面处与对象相交。
[0037]在图7的块704中，构建原始三维场景的简化表示。可通过使用k-最邻近搜索以适配用于第一多个光线的端点的局部密度来构建简化表示。随后针对第一多个光线中的每一个得出半径，并且依照第一多个光线的端点的切面上的层片创建原始三维场景的简化表
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[0038]例如，在图3中，使用第一多个光线的端点的切面上的层片创建原始三维场景的简化表示。简化表示是原始三维场景的逼近。
[0039]在图7的块706中，通过使用从投射所获得的对象表面交点和已知光线来将简化表示调整为与原始三维场景一致。结果是经调整的简化表示。通过调整简化表示使得向简化表示投射第一多个光线和向原始三维场景投射第一多个光线得到与对象表面的相同的交叉点，使经调整的简化表示与原始三维场景一致。
[0040]通过跟踪针对简化表示的第一多个光线以及将与第一多个光线相交的多个层片收缩，创建经调整的简化表示。例如，在图5中，简化表示经调整以通过将多个层片收缩到第一多个光线与多个层片的交点来产生经调整的简化表示。
[0041]在创建简化表示和对其进行调整以产生经调整的简化表示之后，经调整的简化表示可用于高质量图像渲染。在块708中，第二多个光线向经调整的简化表示投射并经测试用于经调整的简化表示内的与对象表面的交叉点。在块710中，估计在经调整的简化表示内、在与对象表面的交叉点处的传入光。在块712中，检查对象表面的材料性质。在块714中，用于多个像素的颜色和光强度与第二多个光线相关联。可选地，块714的结果可显示在显示屏上。
[0042]在前述说明书中，已参考可从实现方案到实现方案改变的大量具体细节描述本发明的实施例。因此，由 申请人:所意图的、本发明的内容的唯一排他的表示是本申请中所公布的权利要求的集合，该权利要求以包括任何后续修正的具体形式公布。因此，在权利要求中未明确叙述的限制、元素、性质、特征、优点或属性不应以任何方式限制这种权利要求的范围。因此，说明书和附图视为说明性的而非限制性意义。
[0043]前述的描述，出于解释的目的，已参考特定实施例进行描述。然而，上述说明性的论述不旨在穷举或将本发明限制在所公开的明确形式上。鉴于以上教导，许多修改和变形是可能的。
【权利要求】
1.一种计算机图形实现的方法，包括: 向包括具有对象表面的对象的原始三维场景投射第一多个光线，其中所述第一多个光线可在所述原始三维场景内重新投射； 构建所述原始三维场景的简化表示；以及 通过使用从所述投射所获得的对象表面交点和已知光线来调整所述简化表示为与所述原始三维场景一致，以产生经调整的简化表示。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括: 向所述经调整的简化表示投射第二多个光线以及测试所述第二多个光线用于所述经调整的简化表示内的与所述对象表面的交叉点； 估计在所述经调整的简化表示内、在与所述对象表面的所述交叉点处的传入光； 检查所述对象表面的材料性质；以及 计算与所述第二多个光线相关联的用于多个像素的颜色和光强度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述构建包括: 使用k-最邻近搜索以适配用于所述第一多个光线的端点的局部密度； 得出用于所述第一多个光线的每一个的半径；以及 依照所述端点的切面上的多个层片创建所述原始三维场景的逼近。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述调整进一步包括: 跟踪针对所述简化表示的所述第一多个光线；以及 收缩与所述第一多个光线相交的所述多个层片以产生所述经调整的简化表示。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述经调整的简化表示通过以下操作与所述原始三维场景一致:调整所述简化表示，使得向所述简化表示投射所述第一多个光线和向所述原始三维场景投射所述第一多个光线得到与所述对象表面的相同的交叉点。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述经调整的简化表示用于计算机图形系统中的高质量图像渲染。
7.根据权利要求6所述的方法，其中使用所述三维场景的所述经调整的简化表示的所述渲染的结果大致类似于通过使用所述原始三维场景渲染的结果。
8.一种计算机可读存储介质，具有存储在其上的计算机可执行指令，如果所述计算机可执行指令由计算机系统所执行那么使所述计算机系统实施光线跟踪的方法，所述方法包括: 向包括具有对象表面的对象的原始三维场景投射第一多个光线，其中所述第一多个光线可在所述原始三维场景内重新投射； 构建所述原始三维场景的简化表示；以及 通过使用从所述投射所获得的对象表面交点和已知光线来调整所述简化表示为与所述原始三维场景一致，以产生经调整的简化表示。
9.根据权利要求8所述的计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括: 向所述经调整的简化表示投射第二多个光线以及测试所述第二多个光线用于所述经调整的简化表示内的与所述对象表面的交叉点； 估计在所述经调整的简化表示内、在与所述对象表面的所述交叉点处的传入光； 检查所述对象表面的材料性质；以及计算与所述第二多个光线相关联的用于多个像素的颜色和光强度。
10.根据权利要求8所述的计算机可读存储介质，其中所述构建进一步包括: 使用k-最邻近搜索以适配用于所述第一多个光线的端点的局部密度； 得出用于所述第一多个光线的每一个的半径；以及 依照所述端点的切面上的多个层片创建所述原始三维场景的逼近。
11.根据权利要求10所述的计算机可读存储介质，其中所述调整进一步包括: 跟踪针对所述简化表示的所述第一多个光线；以及 收缩与所述第一多个光线相交的所述多个层片以产生所述经调整的简化表示。
12.根据权利要求8所述的计算机可读存储介质，其中所述经调整的简化表示通过以下操作与所述原始三维场景一致:调整所述简化表示，使得向所述简化表示投射所述第一多个光线和向所述原始三维场景投射所述第一多个光线得到与所述对象表面的相同的交叉点。
13.根据权利要求8所述的计算机可读存储介质，其中所述经调整的简化表示用于计算机图形系统中的高质量图像渲染。
14.根据权利要求13所述的方法，其中使用所述三维场景的所述经调整的简化表示的所述渲染的结果大致类似于通过使用所述原始三维场景渲染的结果。
【文档编号】G06T15/50GK103578132SQ201310305613
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年7月19日 优先权日:2012年7月19日
【发明者】蒂莫·奥斯卡伊·艾拉, 亚科·塔帕尼·莱蒂恩, 萨穆利·马蒂亚斯·莱内 申请人:辉达公司