一种基于基元的实时微观结构渲染方法及系统

本发明属于基于物理的实时高真实感渲染，尤其涉及一种基于基元的实时微观结构渲染方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、计算机图形学领域，通常使用双向反射分布函数(bidirectional reflectancedistribution function,brdf)描述真实世界中不同材质与光线的交互，而能量在空间上的分布是描述材质的重要属性。目前主流的材质brdf模型基于微表面理论，这个模型中假设：众多微观结构共同组成了宏观表面，人眼在宏观层面观察到的材质特征是微观结构共同作用的结果。微观结构的复杂几何特征使得能量在空间上的分布高度曲折，准确还原并渲染不同类型的微观结构成为了提升材质真实感的重要课题，受到了计算机图形学领域的高度关注。

3、双向反射分布函数中使用法线分布函数(normal distribution function,ndf)描述微观结构的法线分布情况，进而描述能量在不同方向上的分布情况，不同类型的微观结构形成了包括划痕、闪烁亮点、结构性高光以及皮革等截然不同的宏观视觉效果。传统的微表面理论中通常采用平滑的统计分布描述ndf，导致无法真实还原微观结构的材质特征，进而在宏观上丢失部分高频细节信息。

4、近年在微观结构的离线渲染领域，提出了使用高精度法线贴图准确描述微观结构的法线分布项的方法，这种方法依托纹理描述微观结构，针对不同类型的微观结构均能得到高度真实感的渲染结果，但同时这种方法也存在着性能开销过大、存储负担沉重等问题，无法直接移植到实时渲染中；而现有的微观结构渲染方法通常针对单一类型微观结构进行建模，因此，不存在适用于多种类型的微观结构实时高效渲染方法。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于基元的实时微观结构渲染方法及系统，显式表达基元微观结构，并通过将单个基元进行空间及空间分布增加结构的多样性，而只需维护少量的数据，并提出了对应的法线分布函数解析公式，以较小的内存及性能开销实现了复杂微观结构的渲染。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了一种基于基元的实时微观结构渲染方法；

4、一种基于基元的实时微观结构渲染方法，包括：

5、(1)对待渲染材质图像的基元法线贴图进行离散化网格表示和法线分布函数计算，得到基元的预计算纹理；

6、(2)根据预计算纹理，对基元进行空间变换和空间分布操作，得到增强后的多个基元；

7、(3)基于增强后的多个基元，拟合着色点的法线分布函数，对微观结构进行实时渲染，得到最终的渲染图像。

8、进一步的，所述离散化网格表示，具体为：

9、将待渲染材质图像的基元法线贴图分解为由方格组成的规则网格，通过设置不同的方格大小的方式组织层级结构，构建不同mip-map层级的基元。

10、进一步的，所述预计算纹理，通过预处理操作实现，具体为：

11、遍历基元的每个方块，根据其存储的法线信息、纹素的位置信息，生成高斯函数，作为每个方块的法线分布函数；

12、将每个方块的法线分布函作为基元在不同方向上的法线分布函数进行编码，得到基元的预计算纹理。

13、进一步的，所述空间变换，基于空间变换矩阵，实现偏移变换、镜像变换、放缩变换、错切变换以及旋转变换。

14、进一步的，所述空间分布，包括随机无序分布以及平铺拼接分布；

15、所述随机无序分布，通过采样随机噪声纹理的方式模拟基元随机分布在材质表面的过程。

16、进一步的，所述拟合着色点的法线分布函数，具体为：

17、遍历着色点范围内所有基元，累加其法线分布函数，得到着色点的法线分布函数。

18、进一步的，所述对微观结构进行实时渲染，还包括处理多个基元相互重叠的情况，具体处理方法为：

19、将重叠区域细分为四个等面积的子区域；使用最后查询到的基元定义重叠区域的遮挡关系。

20、本发明第二方面提供了一种基于基元的实时微观结构渲染系统。

21、一种基于基元的实时微观结构渲染系统，包括结构表示模块、空间增强模块和实时渲染模块：

22、所述结构表示模块，被配置为：对待渲染材质图像的基元法线贴图进行离散化网格表示和法线分布函数计算，得到基元的预计算纹理；

23、所述空间增强模块，被配置为：根据预计算纹理，对基元进行空间变换和空间分布操作，得到增强后的多个基元；

24、所述实时渲染模块，被配置为：基于增强后的多个基元，拟合着色点的法线分布函数，对微观结构进行实时渲染，得到最终的渲染图像。

25、本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种基于基元的实时微观结构渲染方法中的步骤。

26、本发明第四方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的一种基于基元的实时微观结构渲染方法中的步骤。

27、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

28、本发明假设材质表面是由大量基元微观结构构成的，而真实世界中大部分的微观结构都可以抽象表示为基元，使得本发明提出的算法适用于大量具备独立基元特征的材质类型，表达类型广的同时表达能力强。

29、本发明提供了一种基于预计算的显式基元微观结构表示方法，方法中通过小尺寸的法线贴图描述基元微观结构，将基元微观结构在不同方向上的法线分布函数预计算并编码到预计算纹理中，实现对单个基元的描述，不同于以往方法中针对宏观表面进行预处理，本发明的预计算只针对基元进行，极大提高了处理时间并且降低了生成的预处理数据量。

30、本发明提供了一种通过将单个基元微观结构进行空间变换操作和空间分布操作增加结构的多样性的方法，方法中将基元进行放缩变换、偏移变换、旋转变换、错切变换以及方镜像变换等空间变换，大大增强了基元微观结构构成的宏观表面的结构多样性，并针对不同类型的微观结构提出了不同的空间变换操作进一步丰富视觉效果。

31、本发明提供了一种基于基元的法线分布函数的解析公式，通过快速采样基元微观结构预处理操作得到预计算纹理，高效求解着色点的法线分布函数，完成微观结构的渲染并得到微观结构在宏观层面的视觉效果。不同于以往方法中大量的内存开销，方法只需要基元微观结构的少量数据，使得整体的性能、内存限制在了较低的限度，适用于实时渲染。

32、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于基元的实时微观结构渲染方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种基于基元的实时微观结构渲染方法，其特征在于，所述离散化网格表示，具体为：

3.如权利要求2所述的一种基于基元的实时微观结构渲染方法，其特征在于，所述预计算纹理，通过预处理操作实现，具体为：

4.如权利要求1所述的一种基于基元的实时微观结构渲染方法，其特征在于，所述空间变换，基于空间变换矩阵，实现偏移变换、镜像变换、放缩变换、错切变换以及旋转变换。

5.如权利要求1所述的一种基于基元的实时微观结构渲染方法，其特征在于，所述空间分布，包括随机无序分布以及平铺拼接分布；

6.如权利要求1所述的一种基于基元的实时微观结构渲染方法，其特征在于，所述拟合着色点的法线分布函数，具体为：

7.如权利要求1所述的一种基于基元的实时微观结构渲染方法，其特征在于，所述对微观结构进行实时渲染，还包括处理多个基元相互重叠的情况，具体处理方法为：

8.一种基于基元的实时微观结构渲染系统，其特征在于，包括结构表示模块、空间增强模块和实时渲染模块：

9.一种电子设备，其特征是，包括：

10.一种存储介质，其特征是，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行权利要求1-7任一项所述方法的指令。

技术总结
本发明提出了一种基于基元的实时微观结构渲染方法及系统，涉及基于物理的实时高真实感渲染技术领域，具体方案包括：对待渲染材质图像的法线贴图进行离散化基元表示和法线分布函数计算，得到每个基元的预计算纹理；根据预计算纹理，对基元进行空间变换和空间分布操作，得到增强后的基元；基于增强后的基元，拟合着色点的法线分布函数，对微观结构进行实时渲染，得到最终的渲染图像；本发明显式表达基元微观结构，并通过将单个基元进行空间及空间分布增加结构的多样性，而只需维护少量的数据，并提出了对应的法线分布函数解析公式，以较小的内存及性能开销实现了复杂微观结构的渲染。

技术研发人员：徐延宁,谭皓文,王璐,邢佑鑫
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15