基于二次點光源的間接光照繪制技術研究

任中慧 王波

(長春理工大學 計算機科學技術學院,吉林長春 130022)

1 引言

在計算機渲染領域,主流的全局光照算法都會考慮間接光照效果[1]的繪制,但大多數的算法在繪制間接光照效果時都需要較大的開銷,因而無法應用于實時交互的場景。光線跟蹤算法實現非常簡單繪制的效率非常高,卻因為陰影測試機制而無法直接繪制間接光照。因此,本文提出了一種利用光線跟蹤算法[2]獲得二次點光源,并利用邊界檢測機制將間接光照的計算分為邊界區域的間接光照計算,與非邊界區域的間接光照計算兩部分的算法,從而大大加快了算法的繪制速度。

2 算法描述

2.1 二次點光源獲取與采樣

將相機置于光源位置,并向場景投射光線。如圖1所示,檢測并記錄光線與場景的第一個交點,并將獲取到的交點的深度值、法向量、光通量,世界坐標值信息[3]存儲到指定緩沖區。這里獲取到的交點就是計算間接光照所需要的虛擬點光源(VPLs)[4],亦即實驗中所需的二次點光源。接著對獲取到的虛擬點光源進行均勻采樣,最終獲得了256個二次點光源。

2.2 邊界區域檢測與間接光照繪制

物體的邊界輪廓具有法向量值突變和深度值突變的特性,其中法向量的值決定了這一點是否可見,深度的值決定了這一點的亮度值。算法以相機位置為視點,向場景投射光線,將相機與場景中的物體的第一個碰撞點的深度值、法向量值存儲到兩個緩沖區中,以備物體的邊界檢測之用。

對于深度緩沖區的每一個像素,計算以此為中心的3*3的網格內的最大和最小值,當其差值大于設定的閾值時即為邊界區域。對法向量緩沖中的像素,需要獲取以此為中心的3*3的網格內的所有法向量值,然后為每一個像素計算等式si=sin(0.5×arccos(n·ni))(其中i=1,2,…9,n為網格中心像素的法向量,ni為其余像素的法向量),這樣會得到所有si,并將si最大值和最小值的差值(范圍[0,1])進行存儲,這里的閾值設定為0.2。對于差值超出閾值的像素點,將其標記為邊界像素。

對于邊界區域像素點,利用公式計算間接光照貢獻值:以邊界區域像素為中心,在rmax半徑區域內的二次點光源按照公式(2.1)和(2.2)對此像素計算間接光照貢獻值。

圖1 獲取二次點光源

其中p表示二次點光源p的光通量,np表示二次點光源p的表面法向量,xp表示二次點光源p的世界坐標,〈np|x-xp〉表示兩者的點乘值,||x-xp||表示兩者的距離。

由于間接光照是計算所有的二次點光源對可視場景點的影響,上面公式只計算了一個二次光源對x點的影響,所有的二次光源對x的影響可以用累加的方式來計算,如下公式(4.2)所示:

圖2 實驗結果

對于非邊界區域則通過插值的方式計算間接光照,并最終將邊界與非邊界區域的間接光照以及直接光照效果相疊加。

3 實驗結果及分析

實驗結果如圖2所示。通過觀察可以看到,在場景的復雜度較低時,本文提出的方法在繪制速度上具有明顯的優勢。但是當場景中包含交復雜的三維對象時,本文方法的執行效率會有一定的下降,主要原因在于復雜場景下,通過插值計算間接光照的像素比例會降低,造成算法開銷增大。

[1]Dachsbacher C, Stamminger M. Splatting Indirect Illumination

[J]. Proceedings of the 2006 Symposium on Interactive 3D Graphics and Games. New York: ACM Press, 2006: 93-100.Whitted T. An improved illumination model for shaded display[J]. Communications of the ACM,1980, 23(6):343-349.

[2]Williams L. Casting curved shadows on curved surfaces[J].Siggraph Computer Graph,1978, 12(3):270-274.

[3]Dachsbacher C, Stamminger M. Reflective shadow maps[J].Proceedings of the 2005 symposium on Interactive 3D graphics and games.New York:ACM Press,2005:203-231.

[4]陳純毅,楊華民等.基于幀間虛擬點光源重用的動態場景間接光照近似求解算法[J].吉林大學學報(工學版),2013,43(5):1352-1358.