一种无偏的光子映射绘制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图形绘制技术领域，尤其涉及一种光子映射的绘制方法。
【背景技术】
[0002] 本发明相关的研究背景简述如下：
[0003] 一、光子映射
[0004] 光子映射的核心思想是利用光子的密度来估计局部的光能，具体可参 考 JENSEN, H.ff.2001.Realistic Image Synthesis Using Photon Mapping. A. K. Peters，Ltd.，Natick，MA，USA。光子收集的局部性使得该方法对于具有挑战性的 焦散以及多次反射的间接光照特别有效。此外，光子映射可以重用光子所对应的光 路，从而减小了采样的代价。密度估计可以有效地降低噪声，但是同时也会给最终的 结果引入偏差，因此之前所有的光子映射方法都是有偏的。虽然最新的一系列渐进光 子映射算法可以在光子数量无限的时候一致收敛到正确的结果，具体方法可以参考 HACHISUKA, T. , OGAKI, S. , AND JENSEN, H. ff. 2008. Progressive photon mapping. ACM Trans. Graph. 27, 5 (Dec.), 130:1 - 130:8 ；KNAUS, C. ,AND ZffICKER1M. 2011. Progressive photon mapping:A probabilistic approach. ACM Trans. Graph. 30, 3 (May), 25:1 - 25:13 ； HACHISUKA, T. , AND JENSEN, H. ff. 2009. Stochastic progressive photon mapping. ACM Trans. Graph. 28, 5 (Dec. ), 141:1 - 141:8 ；KAPLANYAN, A. S. , AND DACHSBACHER, C. 2013. Adaptive progressive photon mapping. ACM Trans. Graph. 32, 2 (Apr.),16:1 - 16:13。 但是无一例外的这些方法在任意有限时间内的结果都是有偏的，而我们的方法自始至终 都能得到无偏的绘制结果。也有工作通过多重重要性采样将有偏的光子映射与双向光 线跟踪相结合，参考 V0RBA，J. 2011. Bidirectional photon mapping. In Proc. of the Central European Seminar on Computer Graphics(CESCG 11) ；T0KUY0SHI, Y. 2009. Photon density estimation using multiple importance sampling. In ACM SIGGRAPH ASIA2009Posters, ACM, New York, NY, USA, SIGGRAPH ASIA' 09, 37:1 - 37:1。而我们的工作 改进了之前的多重重要性采样，首次使之将无偏的光子映射与其他的采样技术相结合。
[0005] 二、双向光线跟踪以及多重重要性采样
[0006] Kajiya在1986年提出的渲染方程是对于光能传播的物理规律的数学描述，该 方程是一个多重积分，可以通过蒙特卡洛的方法求解，该渲染方程可以参见KAJIYA，J. T. 1986. The rendering equation. SIGGRAPH Comput. Graph. 20, 4(Aug. )，143 - 150。双向 光线跟踪则是通过分别采样视线以及光线，并将两条光路相连的方法来对完整的光路进 行采样。该方法对于室内场景以及有限大小的光源和相机特别有效，具体方法可以参见 LAFORTUNE, E. P. , AND WILLEMS, Y. D. 1993. Bi-directional path tracing. In Proceedings of CompuGraphics, vol. 93, 145 - 153 ；VEACH, E. , AND GUIBAS, L J. 1994. Bidirectional estimators for light transport. In Proceedings of the Fifth Eurographics Workshop on Rendering, Eurographics, 147 - 162。
[0007] 之后多重重要性采样也被Veach等人提出，当时主要用于在双向光线跟踪之中结 合各种光路不同的连接方式，参见VEACH，E. 1998. Robust Monte Carlo Methods for Light Transport Simulation. PhD thesis, Stanford, CA, USA. AAI9837162。光子映射和双向光线 跟踪都是通过连接视线和光线形成完成的光路采样。相比于双向光线跟踪而言，光子映射 由于视线终点和光子非常接近，因此在采样比较复杂的焦散和多次反射的间接光照比较有 优势；然而在直接光照等情况下，双向光线跟踪则更加有效。因此这两种方法在不同的类 型的光路采样中是互补的，具体可以参见HASAN ' M.，KRIV~ANEf，J.，WALTER, B.，AND BALA, K. 2009. Virtual spherical lights for many-light rendering of glossy scenes. ACM Trans.Graph.28, 5(Dec. ), 143:1 - 143:6 ；V0RBA, J. 2011. Bidirectional photon mapping. In Proc. of the Central European Seminar on Computer Graphics(CESCG 11)〇
[0008] 三、统一采样
[0009] 顶点合并（Vertex Merging)将光子映射重新定义为一个光路以一定概率进行 双向连接的过程，其中连接的概率由被连接的两点之间的距离所决定，GE0RGIEV，I. ,KRIV ANEKr ,J.,DAVIDOVIC, T. , AND S LUSALLEK, P. 2012. Light transport simulation with vertex connection and merging. ACM Trans. Graph. 31, 6(Nov.), 192:1 - 192:10。统一光 路采样（Unified Path Sampling)则是同一个问题的另一种角度，该工作将双向光线跟踪 认为是一种光子和视线终点完全重合的光子映射
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无偏的光子映射绘制方法，在 充分发挥光子映射绘制方法高效率的同时，消除了困扰该方法已久的误差问题。不但在理 论上突破了原有光子映射方法的局限，并且具有很高的实用价值。
[0011] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无偏的光子映射绘制方法，包 括以下步骤：
[0012] (1)输入三维场景文件，并对三维场景文件进行解析；所述三维场景文件包括物 体的几何信息、材质以及贴图、灯光信息和相机设置；
[0013] (2)绘制初始化，对三维场景建立空间加速结构；
[0014] (3)开始绘制图像，根据用户指定的采样数量或者绘制时间开始执行采样循环； 每个采样循环内对所有像素分别进行一个采样的绘制；每个采样循环内的计算过程包括以 下子步骤：
[0015] (3. 1)进行光子的采样：光线从光源发射出来之后，在场景中进行一系列的反射 折射；光线每一次的反射折射发生时，在该位置创建一个光子，并将光线当时携带的能量， 以及当前光线反射次数的信息记录在该光子中；当所有的光线在场景中遍历完毕，得到一 批光子，然后对这些光子建立空间加速结构；
[0016] (3. 2)进行视线的采样：视线的采样数量与光线一致，等于像素的个数；视线发射 后同样在场景中进行遍历，每次在物体表面进行反射折射时，在反射折射点周围半径为d 的球体范围内收集光子；之后对于每个光子建立一条光路，并对其光通量进行无偏估计，无 偏估计的过程如下：
[0017] (3.