本發(fā)明涉及全局光照，具體涉及一種基于稀疏距離場和體素化的漫反射全局光照方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年，動態(tài)漫反射全局光照的研究源于計算機圖形學(xué)領(lǐng)域中對真實感渲染的不斷追求。隨著計算能力的提升和圖形處理需求的多樣化，實時渲染技術(shù)的應(yīng)用場景愈加廣泛，包括但不限于電子游戲、虛擬現(xiàn)實、電影制作及建筑可視化等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，光照效果的逼真度是影響用戶體驗和視覺效果的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的靜態(tài)光照模型在處理復(fù)雜光照場景時往往力不從心，難以滿足實時交互和動態(tài)變化的需求。而近年來的動態(tài)漫反射全局光照方法都有著自身的局限性，包括：在近似光照效果上沒有考慮遮擋可見問題，需要特定的硬件加速支持導(dǎo)致無法全平臺可用。為了解決以上諸多問題，提出了一套不依賴于特定硬件平臺，物理上較準確，性能開銷可控，實時的動態(tài)漫反射全局光照方案。

2、全局光照在圖形學(xué)領(lǐng)域一直是研究熱門方向，多年來，出現(xiàn)了諸多不同流派的方法，最早的就是光線追蹤和路徑追蹤方法，光線追蹤是一種通過模擬光線從攝像機出發(fā)，追蹤其在場景中的傳播路徑來計算光照和陰影的方法。路徑追蹤是光線追蹤的擴展方法，通過隨機采樣的方式追蹤光線在場景中的多次反射路徑，逐步累積光照信息。這兩者本質(zhì)都是模擬光路傳播，所以需要大量計算消耗。雖然在如今有了諸多硬件加速結(jié)構(gòu)，光線追蹤已經(jīng)走進了實時領(lǐng)域，但是對于大部分消費級的硬件依然無法啟用光線追蹤功能。

3、反射陰影圖(reflective?shadow?map,rsm)方法，該類方法借鑒了陰影的技術(shù)，反射陰影圖基于傳統(tǒng)陰影圖(shadow?map)的概念，但在存儲的信息上有所擴展。傳統(tǒng)陰影圖只存儲深度信息，而rsm不僅存儲深度，還記錄了反射光線的顏色和方向信息。這些額外的信息用于計算間接光照，使得渲染效果更加逼真。通過獲得攝像機視角下的深度圖以及光照視角下的深度圖，即獲得攝像機視角下每個像素點是否被光源照射的信息。rsm通過記錄光源投射到場景中的光線方向和強度信息，從而實現(xiàn)對間接光照的有效計算。在渲染過程中，利用rsm中記錄的反射光線信息，計算每個像素接收到的間接光照。通過遍歷rsm中的光源像素，將其反射光線投射到場景中的其他像素，從而計算出間接光照的貢獻。在早期電子游戲中該方法被應(yīng)用，但其有著幾個缺點，首先是無法考慮可見性，因為rsm方法中每個像素都是一個光源，使用shadow?map開銷過大。另外rsm方法也不適合多光源的全局光照。

4、光傳播體積(light?propagation?volumes,lpv)，lpv通過在體積網(wǎng)格中傳播光照信息，模擬光線在場景中的多次反射和散射，從而生成逼真的光照效果。該方法通過把場景體素化，利用rsm的思想將直接光照注入到物體表面，然后根據(jù)場景體素化的信息進行傳播，不斷迭代。在渲染時，對著色點使用網(wǎng)格體積中輻射率進行渲染。lpv因為使用了體素化的方法，一定程度解決了可見性問題，但是在同一個網(wǎng)格體積中還是會出現(xiàn)漏光。當(dāng)把網(wǎng)格體積粒度變小會減輕漏光情況，但是傳播時的復(fù)雜度和存儲又變成了無法解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于稀疏距離場和體素化的漫反射全局光照方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種基于稀疏距離場和體素化的漫反射全局光照方法，包括如下步驟：

3、s1、構(gòu)建稀疏全局距離場；

4、s2、對需要進行全局光照的場景進行體素化表達，通過光柵化流程對所述場景進行體素化，記錄所述場景的反照率貼圖、自發(fā)光信息和直接光照信息；

5、s3、將所述步驟s2得到的直接光照信息注入至直接光照體素化三維紋理中；

6、s4、在所述場景中，圍繞相機中心采用級聯(lián)的光照探針擺放方式擺放光照探針，生成四個具有不同探針間距的光照探針空間；

7、s5、根據(jù)當(dāng)前觀察方向?qū)λ龉庹仗结樋臻g的原點進行偏移以獲取更多的光照信息；

8、s6、對所述光照探針構(gòu)建狀態(tài)機，通過所述狀態(tài)機剔除所述光照探針不必要的更新，將所述光照探針進行重定位后對需要更新的光照探針進行距離場光線追蹤以獲取體素表面的信息并更新輻射率紋理；對所述輻射率紋理進行混合得到輻照度信息；

9、s7、根據(jù)所述步驟s6得到的輻照度信息對所述場景進行著色，在所述光照探針空間中查找著色點周圍的光照探針，進行三線性插值計算得到著色點顏色。

10、進一步地，所述步驟s1具體為：首先，在離線條件下對每個網(wǎng)格體預(yù)生成一個高精度的網(wǎng)格體距離場，然后，將場景中的網(wǎng)格體距離場實時合成為一個低精度的全局距離場；在后續(xù)的距離場光線追蹤中，在低精度的全局距離場快速的追蹤至網(wǎng)格體周圍后，轉(zhuǎn)換到高精度的網(wǎng)格體距離場進行追蹤。

11、進一步地，所述步驟s2中，對需要進行全局光照的場景進行體素化表達包括如下步驟：

12、創(chuàng)建存儲體素信息的三維紋理，所述三維紋理包含漫反射體素紋理、發(fā)光體素紋理和光照體素紋理；其中，體素分辨率設(shè)置為128×128×128，在創(chuàng)建體素三維紋理時創(chuàng)建4個三維紋理，4個三維紋理共同組成4級的級聯(lián)紋理；

13、執(zhí)行網(wǎng)格體體素化的幾何著色器，計算每個三角形面元法線，選擇最大分量的法線為主軸，作為投影方向；后續(xù)進行保守光柵化時，對三角形面元的三條邊進行外擴；

14、執(zhí)行體素化像素著色器，計算每個面元體素紋理中的坐標，并更新紋理的信息，所述信息包括反照率貼圖、自發(fā)光信息和直接光照信息。

15、進一步地，所述步驟s4中光照探針的擺放方式具體為：采用4級聯(lián)的光照探針空間，所述探針空間內(nèi)部探針數(shù)相同，不同級別的探針空間中的探針間距不同，以保證觀察點近處的全局光照質(zhì)量，越接近觀察點的光照探針空間探針之間距離更??；隨著光照探針空間的級數(shù)升高，探針間的間距升高。

16、進一步地，所述步驟s5具體為：

17、計算觀察方向的向量與光照探針空間的相交點，根據(jù)所述相交點計算出觀察點到交點的距離，取所述觀察點到交點的距離的0.3倍作為調(diào)整距離；

18、將光照探針空間的原點向觀察方向移動一定距離，所述距離為探針空間三個維度最長維度的0.15倍。

19、進一步地，所述步驟s6中，對光照探針構(gòu)建狀態(tài)機包括：

20、探針非激活狀態(tài)：表示該探針為需要采樣的有效探針，但探針不進行更新；被標記為此狀態(tài)的探針距離幾何體超過探針之間的間距，或是探針位于幾何體內(nèi)部；

21、探針已激活狀態(tài)：更新此探針時，將其標記為已激活；

22、探針激活狀態(tài)：在該狀態(tài)下，探測預(yù)算被設(shè)置在一幀中，以使開銷均勻分布；使用輪轉(zhuǎn)請求在每幀更新一部分探針，將所述請求部分的探針標記為活動的；

23、探針休眠狀態(tài)：不對此探針進行光線追蹤更新，但對其進行采樣；對在相機背面探針標記為此狀態(tài)；探測預(yù)算被設(shè)置在一幀中，以使開銷均勻分布；使用輪轉(zhuǎn)請求來每幀更新一部分探針，將不在請求部分的探針標記為此狀態(tài)。

24、進一步地，所述步驟s6中，將所述光照探針進行重定位具體為：

25、對于探針位于墻體內(nèi)部的，所述探針在著色期間被探針狀態(tài)機判定為不被采樣，從而導(dǎo)致著色點可用的信息量減少，將所述探針移動到墻體外部；

26、對于探針位于墻體近表面的，對周圍3×3×3的空間內(nèi)27個點進行距離場距離探測，所述探測內(nèi)容為采樣探測點處距離最近物體表面的距離大小，選擇27個點中距離場距離最大的點作為原探針的新位置以遠離墻體表面。

27、進一步地，所述步驟s6中，對探針進行距離場光線追蹤具體為：

28、選擇每個探針進行光線追蹤的追蹤數(shù)量，將每個探針進行光線追蹤的數(shù)量分為四個級別，所述級別分別是96、128、192、256條光線；

29、進行距離場光線追蹤，獲取擊中點的信息；在體素化三維紋理中采樣擊中點的信息，并將該信息最終記錄在光照探針中，所述信息中包含該點的輻射率和距離信息。

30、進一步地，所述步驟s6中，對所述輻射率紋理進行混合具體為：

31、判斷光照探針的狀態(tài)，如果為探針非激活狀態(tài)或探針休眠狀態(tài)則跳過混合階段，為其他狀態(tài)則進入更新輻照度流程；

32、其中，所述更新輻照度流程具體為：對探針某一采樣方向上進行混合時，對所述探針中收集的各個方向的輻射率信息進行合并，同時根據(jù)蘭伯特余弦定理對法線單位向量n與采樣方向wj進行點乘計算出權(quán)重值dot(n,ωj)，將從位置p、方向wj處獲取的輻射率l(p,ωj)與權(quán)重值dot(n,ωj)相乘得到該方向的貢獻值，最后計算得到該處的輻照度texel(n)：

33、

34、其中，n表示采樣次數(shù)。

35、一種基于稀疏距離場和體素化的漫反射全局光照系統(tǒng)，包括以下模塊：

36、距離場構(gòu)建模塊：根據(jù)預(yù)處理網(wǎng)格體高精度距離場和稀疏低精度全局距離場共同構(gòu)成距離場系統(tǒng)，用于距離場光線追蹤時計算一點距離最近表面的距離；

37、體素化構(gòu)建模塊：根據(jù)光柵化流程和三角形擴邊流程實現(xiàn)體素化系統(tǒng)，用于距離場光線追蹤的擊中點查詢場景光照信息；

38、探針狀態(tài)機模塊：根據(jù)探針的位置以及近期是否激活等信息，來構(gòu)建狀態(tài)機并設(shè)置探針狀態(tài)，用于判斷探針是否更新與采樣，減少時間開銷；

39、距離場光線追蹤模塊：根據(jù)距離場進行光線追蹤，用于代替專用硬件光線追蹤，實現(xiàn)在沒有專用光線追蹤硬件平臺下的光線追蹤能力；

40、探針重定位模塊：根據(jù)探針的位置進行調(diào)整，對于探針位于墻體近表面的，對周圍3×3×3的空間內(nèi)27個點進行距離場距離探測，探測內(nèi)容為采樣探測點處距離最近物體表面的距離大小，選擇27個點中距離場距離最大的點作為原探針的新位置以遠離表面；對于探針位于墻體內(nèi)部的，其在著色期間會被探針狀態(tài)機判定為不被采樣，從而導(dǎo)致著色點可用的信息量減少，對此類探針選擇將探針移動到墻體外部，用于著色時獲得更好的光照效果；

41、探針輻射率混合模塊：根據(jù)探針某一采樣方向上進行混合，即需要對探針中收集的對于各個方向的輻射率信息進行合并，用于計算探針在各個方向上的輻照度；

42、著色模塊：根據(jù)周圍最近的8個探針共同構(gòu)成著色點的采樣空間，通過三線性插值計算出著色點處的輻照度，最終通過基于物理的著色模型計算顏色。

43、本發(fā)明的有益效果在于：

44、本發(fā)明通過引入稀疏全局距離場，實現(xiàn)在不支持光線追蹤專用硬件的平臺下進行距離場光線追蹤，具有很高的平臺兼容性。

45、本發(fā)明在通過體素對場景進行表達，使得對場景物體的光照信息進行快速查詢。

46、本發(fā)明通過將探針空間根據(jù)觀察方向進行小幅度位移，使得觀察視野內(nèi)的空間獲得了更好的光照效果和覆蓋大小，提升了光照質(zhì)量。

47、本發(fā)明采用多級級聯(lián)探針擺放方式，在不犧牲近觀察點處的全局光照質(zhì)量的情況下實現(xiàn)更大的全局光照覆蓋區(qū)域，同時對探針不同等級的光照探針空間具有不同的更新速率以獲取更優(yōu)越的性能。

48、本發(fā)明對光照探針構(gòu)建狀態(tài)機，結(jié)合了多種方式減少了無效探針的更新，使得探針更新即后續(xù)流程獲得更好的性能。