相隔很近的距离，由于发射光子数目的限制，光 子内核估算的半径不能设置得过小否则便有可能收集不到足够多的（即N个）光子。因 此，必须增大估算内核半径使一个相交点的估算内核包含两个甚至更多的栅格条结构以及 地面上所包含的光子，但是较大的估算半径往往会引入估算误差。通过本步骤，位于地表的 无效的光子由于与位于栅格条表面X处的深度差异较大，故而被剔除。
[0058] 步骤4 :杂质偏差控制
[0059] 即使收集的光子通过了前述的可见性检测，深度检测，仍然可能会存在某些杂质 光子是无效的。某些光子处于与相交点X不同的拓扑表面上（但是具有相同的法向和近似 的深度），这一部分具有分割（不连续）拓扑的光子辐射量因此应该被视为无效光子且不能 被等同地加入到最终辐射亮度估计中。在本步骤中，我们进行杂质偏差的控制，通过光子所 依附表面的几何连续性检测，并在辐射亮度估算时筛选并剔除掉那些未能通过检测的光子 的方法来去除杂质偏差。当检测出光子与相交点在几何上不连通（不连续）时抛弃这部分 辐射量，从而避免最终绘制的结果产生不自然的间接光照。
[0060] 几何的连续性检测分为两部分，1)如果待检测光子i所依附的物体的ID (三维场 景中物体的唯一标识）与相交点X所在的物体ID完全不同，则该光子未通过检测，将被视 作无效光子，检测结束；否则转入下一步检测；2)找到距离相交点X最近的物体表面顶点 Vx，找到距离光子i最近的物体表面顶点V1，如果人的η环邻域三角形集合NT n (Vx)与1的 11环邻域三角形集合犯^1)之间的交集为空，即>11\狀1川搬'1仍> =0，则表明光子所在的 表面与X点所在的表面无拓扑连接关系，该光子的几何连续性检测未通过，应该作为杂质 光子被剔除掉；同样的，可以采用判断邻域顶点的交集的方式进行几何连续性检测，即如果 η环邻域顶点集合NV n (Vx)与η环邻域顶点集合NV JV1)之间的交集为空，也即 Ννη(κ)ηΝνη(〇 = 0，则表明光子所在的表面与X点所在的表面无拓扑连接关系，该光子 的几何连续性检测未通过，应该作为杂质光子被剔除掉。在实现时，一般η的取值为2或者 3〇
[0061] 图4Α为典型的光子会靠近但是分别属于两个甚至更多的物体的场景，图中所有 处在椭圆圈内的光子构成了 X点附近的光子集合。场景中分布在左面桌子上标记为浅灰色 的光子是合法光子，而分布在右面桌子上的标记为深灰色的光子不会对X点产生影响，它 们应该被当作杂质光子从辐射亮度估计中删除。因为它们虽然处在以X点为球心的空间球 体内部，其所在平面与X点所在的网格面并不连通或者存在完全的空间阻隔，该部分光子 应该被视为无效光子。如果保留此类光子，则该类光子会对最终的辐射亮度估计产生偏差， 实际上这一类光子也是杂质偏差产生的原因，杂质偏差通常表现为错误的映辉效果或者是 漏光现象，我们的方法可以很好的解决该类问题。
[0062] 图4Β是进行杂质偏差控制与未进行杂质偏差控制的对比图，其中（a)图为本发明 方法进行杂质偏差控制的结果图，（b)图为未进行杂质偏差控制的结果图。图4C是杂质偏 差解决效果图，其中（a)图是采用本发明方法的结果图，（b)图是采用传统光子映射方法所 得到的具有错误光照效果的结果图。
[0063] 步骤5 :边缘偏差控制
[0064] 前述通过各项测试所保留下来的光子都是有效的光子，但是光子所占据表面面积 却并不一定都是有效的，其表面积的计算也不一定精确。以相交点X为圆心且半径为r圆 面的面积是估算内核的面积，虽然前述步骤在剔除光子时会随之把无效光子所占据的面积 也同时剔除掉，但是剩余的面积作为估算内核也可能导致偏差，该偏差即为边缘偏差。边缘 偏差是一类由于过高估计内核估算面积导致的在物体表面边缘部分产生的可见过低辐射 亮度估计现象，边缘偏差的根本原因在于光子在相交点X附近分布不均造成的。直观上，不 能保证以X为圆心的整个圆盘内都包含光子将会造成估算光子及其辐射量不足。如果使用 整个圆盘面积用于辐射亮度计算，那么最终绘制的图像就会呈现出不自然的黑暗和阴影， 然而包含在估算内核内的光子应该是对相交点X的辐射亮度估计产生有效辐射量贡献的。 如图5A所示，相交点X处的有效估算面积应该仅仅包含如白色箭头所指的圆圈内左下方的 扇形区域，但是出现在圆圈内的其它区域则通过KNN搜索却不会找到有效光子，如果依然 将未包含有效光子的面积也计入辐射亮度估算中，则必然会影响最终辐射亮度估算的准确 性。
[0065] 本发明方法中，通过凸表面检查进行边缘偏差控制，即通过检测有效光子所占面 积，并计算其面积的累积和，从而获得准确的估算内核面积，相当于剔除掉了无效的内核面 积。最终能够实现对于边缘偏差的控制。图5B是边缘偏差控制对比效果图，其中（a)图为 未做边缘偏差控制的结果图，（b)图为采用本发明方法进行边缘偏差控制的结果图。
[0066] 步骤6 :辐射亮度估算
[0067] 经过上述多重检测步骤，把剩余的光子作为正确而有效光子，利用辐射亮度计算 公式进行辐射亮度估算。把得到的辐射亮度计算值转换为色彩值，从而合成出最终的真实 感图像。
[0068] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术 人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本 发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
【主权项】
1. 一种光子映射中的偏差控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 根据光线与场景相交产生的相交点的估算半径，采用KNN方法收集相交点附近的光 子； 2) 对收集到的光子进行可见性判断，以剔除杂质光子； 3) 通过深度连续性检测对收集到的光子进行拓扑偏差控制； 4) 根据收集到的光子所依附表面法向的拓扑结构，与相交点表面进行几何连续性检 测，从而控制杂质偏差； 5) 通过凸表面检查对收集到的光子进行边缘偏差控制； 6) 将剩余的光子作为正确而有效的光子，利用辐射亮度计算公式进行辐射亮度估算。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)采用基于kd-tree结构的KNN方法 对相交点附近的光子进行收集，并设置光子数目阈值N以避免因收集光子数目不足导致的 噪声问题。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)根据收集到的光子所依附的表面法 向与相交点X表面法向的比较进行可见性判断。4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)所述深度连续性检测的方法是：假 设相交点X在当前成像平面上对应像素的深度为dx，收集到的第i个光子的深度为Cl1，设深 度误差阈值为Ad，则一旦Idx-Cl11>A山则当前光子被剔除，其相应的面积也被剔除。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)所述几何的连续性检测的方法是： 1) 如果待检测光子i所依附的物体的ID与相交点X所在的物体ID完全不同，则该光 子未通过检测； 2) 找到距离相交点X最近的物体表面顶点Vx，找到距离光子i最近的物体表面顶点V1, 如果人的n环邻域网格集合与V满n环邻域网格集合之间的交集为空，或者如果V加n环 邻域顶点集合NVn(Vx)与1的11环邻域顶点集合NVn(V1)之间的交集为空，则表明光子所在 的表面与X点所在的表面无拓扑连接关系，该光子的几何连续性检测未通过。6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)通过检测有效光子所占面积并计算 其面积的累积和，获得准确的估算内核面积，实现对边缘偏差的控制。7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)~5)的执行顺序根据实际场景情况 进行调整。8. -种基于光子映射的真实感图像绘制方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 进行光子追踪过程，建立光子图； 2) 进行光线追踪过程，当光线与场景相交产生相交点时，采用权利要求1~7中任一项 所述方法收集相交点附近的光子并对收集到的光子进行辐射亮度计算； 3) 将得到的辐射亮度计算值转换为色彩值，合成出最终的真实感图像。
【专利摘要】本发明涉及一种光子映射中的偏差控制方法，包括如下步骤：1)根据光线与场景相交产生的相交点的估算半径，采用KNN方法对相交点附近的光子进行收集；2)对收集到的光子进行可见性判断，以剔除杂质光子；3)通过深度连续性检测对收集到的光子进行拓扑偏差控制；4)根据收集到的光子所依附表面法向的拓扑结构，与相交点表面进行几何连续性检测，从而控制杂质偏差；5)通过凸表面检查对收集到的光子进行边缘偏差控制；6)将剩余的光子作为正确而有效的光子，利用辐射亮度计算公式进行辐射亮度估算。然后把得到的辐射亮度计算值转换为色彩值，即可合成出最终的真实感图像。本发明能够有效消除不恰当收集光子所产生的偏差和噪声问题。
【IPC分类】G06T15/55
【公开号】CN105184848
【申请号】CN201510498167
【发明人】李胜, 孟洋, 汪国平
【申请人】北京大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月13日