專利名稱：Gpu并行光線追蹤渲染方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于動畫制作領(lǐng)域，涉及ー種GPU并行光線追蹤渲染方法。
背景技術(shù)：
真實感動畫需要模擬光線在場景中進行傳播所發(fā)生的各種物理現(xiàn)象，如多次的反射、折射、投影等。這不僅需要對場景中各種物體的幾何屬性和材質(zhì)屬性的精確描述，還需進行多次反射、折射帶來的極其復(fù)雜的求解計算，這使得渲染一幅真實感圖像需要很長的時間，圖形學(xué)領(lǐng)域的很多研究都集中在如何更好地實現(xiàn)全局光照算法，在很短的時間內(nèi)生成高質(zhì)量的圖像上。
在三維數(shù)字動畫制作過程中，渲染是一個及其重要的環(huán)節(jié)，它對產(chǎn)品的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。以往的渲染方法，如光柵渲染，有著很多“先天不足”的問題，在細節(jié)渲染上可能存在嚴重的失真、無法簡單地實現(xiàn)全局光照、無法繪制出準確細膩的陰影效果等問題，而光線跟蹤能方便地模擬生成復(fù)雜的光照效果，生成高質(zhì)量的圖像。但光線跟蹤算法的計算開銷較大，妨礙了其應(yīng)用效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題在于提出ー種GPU并行光線追蹤渲染方法，從而提高了渲染速度，并且使渲染光影效果逼真。本方法采用空間位和GPU并行方法加速光線追蹤的速度，能渲染出最接近現(xiàn)實、細節(jié)最細膩逼真的畫面，且計算速度快，可以在實踐中得到很好地應(yīng)用，包括如下步驟
對文件場景中的空間劃分空間位；
計算每個物體的最小包圍立方體；
計算包圍立方體經(jīng)過的空間位；
計算經(jīng)過每個像素點的逆向光線；
計算與光線相交的空間位，從而檢索到相關(guān)的物體；
計算檢索的物體與光線是否相交；
根據(jù)相交情況，生成反射光、折射光；
最后采用著色函數(shù)計算每個像素點的顔色。本發(fā)明所述的對文件場景中的空間劃分空間位，其特征在干，將空間分割為WXNXP個長寬高相等的空間位，其中W為X軸向分段數(shù)，N為y軸分段數(shù)，P為z軸方向分段數(shù)，并為每個空間位建立模型列表；
本發(fā)明所述的計算每個物體的最小包圍立方體，其特征在于，根據(jù)物體在世界坐標系中XYZ的坐標范圍，根據(jù)得到的坐標范圍，計算出能夠?qū)⑽矬w包圍進去的ー個最小立方體；本發(fā)明所述的計算包圍立方體經(jīng)過的空間位，其特征在于，通過包圍立方體的8個頂點坐標，找到對應(yīng)的8個空間位，再找到其包圍的其它空間位；這些空間位即為物體經(jīng)過空間位，但物體本身和最小包圍立方體之間存在空間范圍的差異，為減少工作的計算量，將此差異進行忽略；
本發(fā)明所述的計算與光線相交的空間位，從而檢索到相關(guān)的物體，其特征在于，計算光線與這些物體的相交情況，并記錄與光線相交的最近點坐標，并生成反射光、折射光，迭代計算;
本發(fā)明所述的采用著色函數(shù)計算每個像素點的顔色，其特征在于，使用最近物體和最近值T來計算著色函數(shù)，以著色函數(shù)的結(jié)果填充該像素。本發(fā)明不僅能夠生成逼真細膩的渲染效果，而且采用GPU加快了渲染速度，能夠在實際中得到很好的應(yīng)用。



圖I為空間位模型列表生成流程 圖2為空間不意 圖3為像素點第一相交模型確定流程 圖4為光線跟蹤流程 圖5為陰影驗證流程 圖6為采用空間位優(yōu)化與非空間位優(yōu)化效率比較圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進ー步詳細說明。圖I給出了空間位列表的生成流程，具體過程如下
(I)用S代表空間位，空間邊長為K。首先將三維空間分割為WXNXP個，W、N、P必須
的取值必須要保證容納空間內(nèi)所有模型，結(jié)果如圖2所示，則S = iSp SンSi…Swxnx5J。每個空間位所占的體積為K X K X K，每ー個空間位對應(yīng)ー個坐標( S- sZ )。在空間坐標系中，每ー個空間位1對應(yīng)ー個正方體。假設(shè)Sn = (sx,s7,sz),則其對應(yīng)的空間正方體的對角線
兩個頂點的坐標分別為i'sx X K,s,. X Ki sz X K), ( (S3J + I) X K, (Sy + l) X K, (sz 十 i〕X K)。(2)建立起所有的空間位之后需要為每ー個空間位建立模型列表，需要建立ー個由空間位到模型的一對多關(guān)系。將所有空間位放入鏈表SIiSt，鏈表中內(nèi)容包括ー個指向另一個鏈表Mlist的指針，Mlist用于存放所有經(jīng)過該空間的模型ID。( 3)為了填充MliSt中的數(shù)據(jù)，需要對所有模型進行遍歷，每遍歷到ー個模型，得
到模型在空間坐標系中的坐標范圍，即。根據(jù)前面得到的
坐標范圍，得到一個對角線頂點分別是I Xmmf 1Oiinf ^min} ^max ^ ZraaJ的正方體,該正
方體即為該模型的最小包圍立方體。(4)得到了最小包圍立方體需要將最小包圍立方體轉(zhuǎn)化為空間位范圍，得到的空間位范圍為
權(quán)利要求
1.ー種GPU并行光線追蹤渲染方法，其特征在于由以下步驟完成 對文件場景中的空間劃分空間位； 計算每個物體的最小包圍立方體； 計算包圍立方體經(jīng)過的空間位； 計算經(jīng)過每個像素點的逆向光線； 計算與光線相交的空間位，從而檢索到相關(guān)的物體； 計算檢索的物體與光線是否相交； 根據(jù)相交情況，生成反射光、折射光； 最后采用著色函數(shù)計算每個像素點的顔色； 其中對文件場景中的空間劃分空間位，是將空間分割為WXNXP個長寬高相等的空間位，其中W為X軸向分段數(shù)，N為y軸分段數(shù)，P為z軸方向分段數(shù),并為姆個空間位建立模型列表； 計算每個物體的最小包圍立方體，是根據(jù)物體在世界坐標系中XYZ的坐標范圍，根據(jù)得到的坐標范圍，計算出能夠?qū)⑽矬w包圍進去的ー個最小立方體； 計算包圍立方體經(jīng)過的空間位，是通過包圍立方體的8個頂點坐標,找到對應(yīng)的8個空間位，再找到其包圍的其它空間位； 計算與光線相交的空間位，從而檢索到相關(guān)的物體，是計算光線與這些物體的相交情況，并記錄與光線相交的最近點坐標，并生成反射光、折射光，迭代計算； 采用著色函數(shù)計算每個像素點的顔色，是使用最近物體和最近值T來計算著色函數(shù)，以著色函數(shù)的結(jié)果填充該像素。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的GPU并行光線追蹤渲染方法，其特征在于用S代表空間位，空間邊長為K，首先將三維空間分割為WXNXP個，W、N、P必須的取值必須要保證容納空間內(nèi)所有模型，5 ニ (S1, S2, S3-... Swxmxp)；每個空間位所占的體積為KX KX K，每一個空間位對應(yīng)一個坐標(sx;sy，sz )，在空間坐標系中，每一個空間位I對應(yīng)一個正方體，假設(shè)Sn= Ox,則其對應(yīng)的空間正方體的對角線兩個頂點的坐標分別為fs.{ K K,Sy X K, sz X K), ( (sx -f I) K K, (s -f l) K K, (sz 4* I〕X K)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的GPU并行光線追蹤渲染方法，其特征在于建立起所有的空間位之后需要為每ー個空間位建立模型列表,需要建立一個由空間位到模型的ー對多關(guān)系，將所有空間位放入鏈表Slist，鏈表中內(nèi)容包括ー個指向另ー個鏈表Mlist的指針，Mlist用于存放所有經(jīng)過該空間的模型ID。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的GPU并行光線追蹤渲染方法，其特征在于對所有模型進行遍歷，每遍歷到ー個模型，得到模型在空間坐標系中的坐標范圍，，Dmax. Zmiti, Zmflx ,根據(jù)前面得到的坐標范圍，得到一個對角線頂點分別是&min, Ymia ZminX CXmai-· %nax> Zmax)的正方體，該正方體即為該模型的最小包圍立方體。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的GPU并行光線追蹤渲染方法，其特征在于得到最小包圍立方體需要將最小包圍立方體轉(zhuǎn)化為空間位范圍，將該模型的ID放到范圍內(nèi)的空間位對應(yīng)的Mlist中，遍歷所有模型后，將得到每一個空間位內(nèi)包含的模型列表；找到經(jīng)過像素點的第一模型交點，然后按光線的反射和折射，迭代跟蹤過程，直到找到光源，或者達到最大迭代次數(shù)；從視點出發(fā)，經(jīng)過每一個視點得到一條光線，得到光線方程，利用GPU中大量的處理核心，將每一束光線方程分配給一個GPU運算核心進行運算； 得到像素點所在空間位Sp，定義一個相交距離T，令T等于最大值； 遍歷經(jīng)過該空間位內(nèi)所有模型； 遍歷每個模型內(nèi)所有多邊形； 如果光線與模型相交，計算相交距離t，將t與T進行比較如果t〈T則T=t;如果在第一個空間位內(nèi)沒有找到交點，則從像素點出發(fā)沿光線方向延伸，得到與空間位邊界的交點，根據(jù)所在面關(guān)系，得到光線經(jīng)過的下一個空間位，直到找到交點，或者光線射出空間位最大范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的GPU并行光線追蹤渲染方法，其特征在于當找到與光線相交的第一個模型后，確定第一個相交點后，進行反射和折射運算，確定模型該位置的光線來源；確定新的光線，尋找下一個相交模型及相交點；整個過程為遞歸操作，在找到最終的光線來源后，從后向前順序取得交點顏色，進行明暗衰減處理，陰影驗證操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的GPU并行光線追蹤渲染方法，其特征在于從驗證點出發(fā)，向所有光源進行連線，得出陰影線，驗證是否在陰影中，首先得到陰影線經(jīng)過的第一個空間位；將隱形線與經(jīng)過該空間位的模型進行相交測試；如果沒有相交，則進入第二個空間位，以此類推，直到找到相交點，或者抵達光源位置，最后得到所有光源對于該驗證點的陰影驗證結(jié)果。
全文摘要
一種GPU并行光線追蹤渲染方法，屬于動畫制作領(lǐng)域，包括對文件場景中的空間劃分空間位；計算每個物體的最小包圍立方體；計算包圍立方體經(jīng)過的空間位；計算經(jīng)過每個像素點的逆向光線；計算與光線相交的空間位，從而檢索到相關(guān)的物體；計算檢索的物體與光線是否相交；根據(jù)相交情況，生成反射光、折射光；最后采用著色函數(shù)計算每個像素點的顏色。本發(fā)明不僅能夠生成逼真細膩的渲染效果，而且采用GPU加快了渲染速度，能夠在實際中得到很好的應(yīng)用。
文檔編號G06T15/06GK102855655SQ20121027421
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者鄭立國, 門慧勇, 詹亞坤 申請人:吉林禹碩動漫游戲科技股份有限公司