使用体渲染进行的快速全局照明

目前，己有的多种全局照明算法可以大大提高三维渲染图像的真实感，并且广泛应用于照明工程领域。但是，由于全局照明需要大量的计算，因此这些算法一般被局限于非实时的照明计算和输出静态图像上在一些需要实时渲染的应用中（如虚拟场景的浏览），为了达到逼真的照明效果，通常使用全局照明的静态输出作为背景场景，这种做法可以在一定程度上提高实时渲染的准确性和可视效果。但是，由于使用了大量无法变更的预渲染的物体，使得实时应用缺乏良好的交互性。另一方面，近年来的一些照明算法l1~2，可以在接近实时的速度下处理一些由复杂光源引起的直接照明，有效地提高照明计算的准确性，但是仍然缺乏对间接照明的实时处理。一些全局照明效果也得到了广泛的研究：He-drich等将光源和渲染过程分离开来进行预处理，*为简洁起见，在不会引起混淆的情况下，以下的讨论中将省略x和。参数的夹角为％那么对于a，我们可以推导出一个使并将结果存储在Lumigraph中；Soler等提出了一些有效的计算阴影的方法，可以对物体间及物体内的阴影进行单独计算；Debevec则使用了Radiance Map来实现环境光照。这些方法在特定的情况下可以应用于一些实时照明计算，但是对于含有复杂光照的环境还是难以处理的。 本文方法使用两种体数据来实时地计算直接照明和间接照明：对应于直接照明的数据称为辐照度分布体，用于记录光源在特定空间内产生的辐照度；对应于间接照明的数据则称为核分布体，用于记录场景中物体间的相互反射数据。 2辐照度分布函数及辐照度重建首先，通过对几个物理量的一些简单的讨论，给出一个用于辐照度重建的计算方法。 辐亮度是光测量中的一个基本物理量，它表示在单位时间、单位立体角内通过某个定点的某个方向上的光能密度，单位是W/（sr*m3）光线在三维空间中的分布可以完全通过辐亮度分布函数L（x，来描迷该函数给出了通过空间中任意一点X在任意方向《上的辐亮度。有些时候，物体表面上某一点在单位时间内收到的光能密度更为有用，该物理量称为辐照度，单位是W/m2.辐照度E相当于入射辐亮度L在单位半球面的底面上投影的积分其中，Q（w）是底面方向为w的单位半球面，*0是w和入射辐亮度方向的夹角，积分单元是方向上的微分立体角。我们把函数E从实体表面推广到整个空间中则称其为辐照度分布函数。同L一样，E也是一个五维函数，但是该函数具有两个有用的特性。*终观察结果很容易通过对E的计算来得到，*E具有非常好的连续性中所提出的卷积法来实时生成阴影。在该中，Soler等指出，被遮挡物体的光照计算可以近似地分解成两个独立函数的乘积，即光照函数G和可见度函数V这样，阴影的形状可以单独考将V近似地写成光源的投影图像和遮挡物的投影图像的乘积有了快速计算阴影的方法后，可以按照下面的流程来合成*终的照明效果。 Stepl.计算由光源产生的直接光照，在实时计算时使用辐照度分布体来计算；StepZ投射阴影（如使用上述的卷积法）与直接照明的结果相结合，* Step3.在Stepl，Step2计算结果的基础上计算间接漫射（见第4节Step4.每次活动物体（包括动态的光源）发生变化时，重4使用核分布实时计算间接漫射对于一些照明设计的应用来说间接漫射是照明非常重要的一个组成部分，尤其是在室内照明的环境下，大部分场景的照明来自于间接漫射。这种形式的照明有时也被称为colorbleeding效果在。在所关心的平面都是Lambert模型的假设下，HL，K的方向参数w和可以省去定义叠核K*为在渲染方程中，叠核Kn（x，j）有一个显著的物理意义：从点x出发，经过n步传播到达点j的光能衰减的比例。特别地如果把K和K离散化（即对x和J取一系列采样点），写成的矩阵形式，这二者的关系为预解核R的定义为该函数表征了从点x出发经过任何可能的路径到达点j的光能衰减的比例。注意，对于具有实际物理意义的渲染方程来说R总是收敛的。有了预解核后，渲染方程具有如下形式的解从这个解的形式可以看出，R独立于光源的分布Le，仅与物体表面间的相对位置有关。这说明我们可以把光源分离出去，单独计算物体间的相互反射信息。在预处理的过程中，计算场景内的相互反射信息其实就是计算R中n>2的Kn项4.2核分布的计算和使用其中L9物体表面上S点c在品方向上出射的ubg利用己有的全局照明，预解核可以更为快尽管式（6），（7）给出了计算预解核的一种方法，但是这种大矩阵的计算方式冗余信息多，计算量巨捷地计算出来：Stepl.使用空间划分方法（如八叉树）对场景空间进行划分，将含有物体表面的空间节点作为采样点每个采样点上设置类似于RadianceMap中提出的辐照度使并没有效率上的提升，但却提供了对静态的场景改变光照的能力。 5实验数据与结果在具体实现中，待渲染的场景被分为两个部分：一部分为活动光源和物体，预处理时需要对每一个此类物体创建一个可重用的辐照度分布体；另一部分为相对静止的环境，需要事先计算其核分布体并创建一个单一的辐照度分布体用于与活动物体相互作甩和分别显示了使用该方法进行渲染的结果。中墙壁和画为静止物体，椅子、植物和光源为活动物体，在墙壁间产生了漫射表1给出了针对中场景的测试结果。可以看出，计算的主要瓶颈在于阴影的生成，此处的阴影贴图使用128x 128的分辨率，其中大部分的计算时间消耗在计算富立叶变换上。 表1部分测试结果多边形数目处理顶点数目（无阴影）/s显示速率（无阴影）fps显示速率（有阴影）fps在预处理过程中直接使用积分的方法计算辐照度分布体当采样精度取40x40x20时，根据各个光源和物体的复杂程度不同，计算时间从几秒到十几秒不等；。核分布体使用渲染软件RADIANCE来生成，中场景的计算时间为40min左右在渲染阶段，如果不考虑其它图形运算的开销，计算辐照度部分可以达到每秒处理580000~610000个顶点，计算间接漫射的部分可以达到每秒处理310000~330000个顶点。一般来说，这一处理速度可以较好地满足实时情况下生成各类渲染所需光照的要求，如动态产生Lightmap等。以上结果是在一台1GHz处理器的个人电脑上完成的。 6结论本文介绍了使用体渲染来进行快速全局照明的方法。该方法在预处理过程中生成两种体数据一辐照度分布体和核分布体来记录辐照度分布和间接漫射信息。通过这两种体数据，在渲染时可以实时地调整和显示由各类光源带来的直接和间接的照明效果。这一方法对于很多需要快速、精确照明的工程应用（如各种照明设计软件），以及一些需要更真实的图像输出的实时应用（如虚拟现实和娱乐软件），都具有较大的实用价值。