在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法
【专利摘要】本发明公开一种在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法。本方法首先基于光线投射方法，计算从视点位置发射的穿过屏幕像素的光线与三维场景的交点及交点位置的法向量，在此基础上计算每个屏幕像素对应的三维场景空间梯度信息，进而以此为依据自适应地选取各个屏幕像素的采样光线数目。在光线跟踪中利用本方法，能在实现对三维场景画面反走样的同时，有效地减少不必要的采样光线跟踪操作，从而提高光线跟踪绘制效率。
【专利说明】在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自 适应采样的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于三维图形绘制【技术领域】，涉及一种在光线跟踪中利用三维场景空间梯 度信息实现屏幕像素自适应采样的方法。
【背景技术】
[0002] 在使用光线跟踪方法绘制三维场景画面时，如果空间采样频率不足，就会造成绘 制出的画面出现走样。为了解决三维场景画面绘制的走样问题，通常针对每个屏幕像素，产 生多条采样光线，最后通过对各屏幕像素的所有采样光线对应的光亮度求平均得到反走样 后的屏幕像素光亮度值，进而据此计算屏幕像素的颜色值。实际三维场景画面的不同区域 的图像空间变化频率并不相同；通常在几何对象边缘区域的图像空间变化频率比非边缘区 域高；因此几何对象的边缘区域往往最容易产生走样。为了在获得较好的画面反走样效果 的前提下，提高光线跟踪的绘制效率，需要根据屏幕像素对应的画面位置，自适应地选取屏 幕像素的采样光线数目。三维场景画面图像像素对应的几何对象片段的深度和法向量的梯 度信息可以在一定程度上反映该像素所在区域的图像空间变化情况。本发明用三维场景空 间梯度信息作为启发式信息，设计屏幕像素的自适应采样方法，以选取合适的屏幕像素采 样光线数目，在实现光线跟踪绘制的三维场景画面的反走样的同时，提高三维场景画面绘 制效率。
【发明内容】
[0003] 本方法的目的在于，提供一种在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕 像素自适应采样的方法。本方法的技术解决方案：首先使用光线投射方法，从视点位置发射 穿过各屏幕像素中心点的光线，计算光线与三维场景的几何对象的离视点最近的交点及交 点位置处的法向量；然后计算各屏幕像素对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001 ; 最后根据最大值A001，自适应地选取屏幕像素的采样光线数目，并完成对三维场景的光线 跟踪绘制。图1所示为9个屏幕像素，其中位于中央位置的屏幕像素109被屏幕像素101、 屏幕像素102、屏幕像素103、屏幕像素104、屏幕像素105、屏幕像素106、屏幕像素107、屏 幕像素108共8个屏幕像素围绕。屏幕像素109对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值 A001根据屏幕像素109及其周围的相邻屏幕像素对应的穿过屏幕像素中心点的光线与三 维场景的几何对象的交点及交点位置处的法向量计算得到。
[0004] 本方法的第一部分计算各个屏幕像素对应的三维场景空间梯度信息，具体实现步 骤如下：
[0005] StepOOl :对每个屏幕像素 A002,使用光线投射方法，从视点位置发射穿过屏幕像 素 A002的中心点的光线A101，计算光线A101与三维场景的几何对象的离视点最近的交点 A102以及交点A102处的几何对象表面法向量A103 ;将屏幕像素 A002对应的光线A101对 应的交点A102和法向量A103保存在计算机系统的内存中；每个屏幕像素 A002都与保存在 计算机系统的内存中的一个交点A102和法向量A103相对应；
[0006] St印002 :对每个屏幕像素 A002,做如下操作：
[0007] Step002-1 :计算屏幕像素 A002对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到 视点的距离Di ;将屏幕像素 A002对应的保存在计算机系统的内存中的法向量A103赋值给 变量K ;对变量&表示的法向量进行归一化，再将归一化后的结果赋值给变量& ;
[0008] Step002_2 :令变量 dDm = 0 ;令变量 dNm = 0 ;
[0009] St印002-3 :对屏幕像素 A002周围的每个相邻屏幕像素 A105,做如下操作：
[0010] 计算屏幕像素 A105对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点的距离 D2 ;如果|D「D2| >dDm，则令dDm= |D「D2| ;将屏幕像素 A105对应的保存在计算机系统的内 存中的法向量A103赋值给变量N2 ;对变量N2表示的法向量进行归一化，再将归一化后的结 果赋值给变量N2 ;如果maxdNd」，，IU2」）> dNm,则令dNm = maxdNi χ-Ν2，χ|，ΙΝμ-ΝμΙ，iNu-Nul) 为变量?表示的法向量的x分量，N 1>y为变量K表示 的法向量的y分量，N1>z为变量&表示的法向量的z分量，N2,x为变量N 2表示的法向量的X 分量，N2,y为变量N2表示的法向量的y分量，N2, z为变量N2表示的法向量的z分量，max表 示求最大值，I · I表示求绝对值；
[0011] St印002-4 :为屏幕像素 A002关联一个深度梯度的幅值的最大值变量A106,将变 量A106赋值为变量dDm的值；为屏幕像素 A002关联一个法向量梯度的幅值的最大值变量 A107,将变量A107赋值为变量dNm的值；
[0012] St印002-5 :针对屏幕像素 A002的操作结束。
[0013] 本方法的第二部分在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适 应采样，具体实现步骤如下：
[0014] St印101 :对每个屏幕像素 B001，做如下操作：
[0015] SteplOl-Ι :在本方法的第一部分得到的三维场景空间梯度信息的基础上，将与屏 幕像素 B001相关联的深度梯度的幅值的最大值变量A106的值赋值给变量0"1，将与屏幕像 素 B001相关联的法向量梯度的幅值的最大值变量A107的值赋值给变量Nm ;
[0016] Stepl01-2 :如果
【权利要求】
1.在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采样的方法，其特征 在于，技术解决方案和所需的实现步骤如下： 本方法的技术解决方案：首先使用光线投射方法，从视点位置发射穿过各屏幕像素中 心点的光线，计算光线与三维场景的几何对象的离视点最近的交点及交点位置处的法向 量；然后计算各屏幕像素对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001 ;最后根据最大值 A001，自适应地选取屏幕像素的采样光线数目，并完成对三维场景的光线跟踪绘制；屏幕像 素109对应的三维场景空间梯度的幅值的最大值A001根据屏幕像素109及其周围的相邻 屏幕像素对应的穿过屏幕像素中心点的光线与三维场景的几何对象的交点及交点位置处 的法向量计算得到； 本方法的第一部分计算各个屏幕像素对应的三维场景空间梯度信息，具体实现步骤如 下： StepOOl :对每个屏幕像素 A002,使用光线投射方法，从视点位置发射穿过屏幕像素 A002的中心点的光线A101，计算光线A101与三维场景的几何对象的离视点最近的交点 A102以及交点A102处的几何对象表面法向量A103 ;将屏幕像素 A002对应的光线A101对 应的交点A102和法向量A103保存在计算机系统的内存中；每个屏幕像素 A002都与保存在 计算机系统的内存中的一个交点A102和法向量A103相对应； Step002 :对每个屏幕像素 A002,做如下操作： Step002-1 :计算屏幕像素 A002对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点 的距离Di ;将屏幕像素 A002对应的保存在计算机系统的内存中的法向量A103赋值给变量 队；对变量&表示的法向量进行归一化，再将归一化后的结果赋值给变量& ; Step002_2 :令变量 dDm = 0 ;令变量 dNm = 0 ; St印002-3 :对屏幕像素 A002周围的每个相邻屏幕像素 A105,做如下操作： 计算屏幕像素 A105对应的保存在计算机系统的内存中的交点A102到视点的距离D2 ; 如果| DrD21 > dDm，则令dDm = | DrD21 ;将屏幕像素 A105对应的保存在计算机系统的内 存中的法向量A103赋值给变量N2 ;对变量N2表示的法向量进行归一化，再将归一化后的结 果赋值给变量 N2;如果 maxWu-Nul，IUmI，lUul) > dNm,则令 dNm = Χ-Ν2，χ|，ΙΝμ-ΝμΙ，iNu-Nul) 为变量?表示的法向量的x分量，N1>y为变量K表示 的法向量的y分量，N1>z为变量&表示的法向量的z分量，N2,x为变量N 2表示的法向量的X 分量，N2,y为变量N2表示的法向量的y分量，N2, z为变量N2表示的法向量的z分量，max表 示求最大值，I · I表示求绝对值； St印002-4 :为屏幕像素 A002关联一个深度梯度的幅值的最大值变量A106,将变量 A106赋值为变量dDm的值；为屏幕像素 A002关联一个法向量梯度的幅值的最大值变量 A107,将变量A107赋值为变量dNm的值； Step002-5 :针对屏幕像素 A002的操作结束； 本方法的第二部分在光线跟踪中利用三维场景空间梯度信息实现屏幕像素自适应采 样，具体实现步骤如下： SteplOl :对每个屏幕像素 B001，做如下操作： SteplOl-Ι :在本方法的第一部分得到的三维场景空间梯度信息的基础上，将与屏幕 像素 B001相关联的深度梯度的幅值的最大值变量A106的值赋值给变量，将与屏幕像素 B001相关联的法向量梯度的幅值的最大值变量A107的值赋值给变量Nm ; SteplOl-2 :如果
，其中Tm为深度梯度阈值，Sm为法向量梯度阈值，
表示向下取整，贝1J转子步骤Stepl01-4 ; Stepl01-3 :如果
则将
赋值给变量NUM，否则将25赋值给变量NUM ; 转子步骤St印101-5 ; Step 101-4 :如果
则将
赋值给变量NUM，否则将25赋值给变量NUM ; Stepl01-5 :在屏幕像素 B001的空间区域内随机地选取NUM个点，从视点位置发射光线 穿过这NUM个点，得到NUM条光线；利用光线跟踪方法，跟踪这NUM条光线在三维场景中的 传输，计算每条光线对应的光亮度，最后计算这NUM条光线的光亮度的平均值B002 ; Stepl01-6 :针对屏幕像素 B001的操作结束； Stepl02 :根据各屏幕像素对应的光亮度的平均值B002,计算各屏幕像素的颜色值，以 生成三维场景画面的图像，将其保存到计算机系统的磁盘文件中。
【文档编号】G06T17/00GK104063891SQ201410332148
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月5日 优先权日:2014年7月5日
【发明者】陈纯毅, 杨华民, 李岩芳, 蒋振刚, 曲福恒, 李华 申请人:长春理工大学