一種基于在屏幕空間計算間接反射高光的渲染方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及實施繪制技術領域，具體涉及一種基于在屏幕空間計算間接反射高光 的渲染方法。
【背景技術】
[0002] 在實時繪制領域，光照的計算對于最終生成圖像的真實感起到了至關重要的作 用，尤其是間接光照的繪制，能帶來遠超越只計算直接光照的繪制真實感。在電影工業(yè)，游 戲制作，虛擬現(xiàn)實等領域中具有廣泛的需求和應用。
[0003] 傳統(tǒng)的實時繪制領域較少的考慮間接光照的計算，通常只計算直接光照就輸出最 終的繪制結果。近幾年來隨著硬件性能的提升，使得在實時繪制領域，利用屏幕空間信息來 進行間接光照計算成為可能，因此出現(xiàn)了不少能夠實時的模擬部分間接光照的效果，比如 SSAO(Screen-Space Ambient Occlusion)，SSDO(Screen Space Directional Occlusion)。
[0004] 然而，上述方法雖然能夠獲得不錯的效果，但是在準確度上還是有所欠缺，并不能 獲得真正符合情理的反射效果。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種基于在屏幕空間計算間接反射高光的渲染方法，能夠實時性的 計算間接高光，在不降低植染效率的前提下，提高間接高光光照計算的準確度。
[0006] -種基于在屏幕空間計算間接反射高光的渲染方法，包括以下步驟：
[0007] (1)對目標場景進行初步渲染，得到攝像機視角下，每個屏幕空間像素點對應的目 標場景顏色、目標場景中每個幾何點的空間位置和法向向量。
[0008] 每個屏幕空間像素點對應的目標場景顏色，即色彩紋理；目標場景中每個幾何點 的空間位置和法向向量，即幾何紋理，對色彩紋理和幾何紋理進行存儲。
[0009] (2)每個屏幕空間像素點對應目標場景中的一個幾何點，該幾何點的材質使用 vMF分布函數(shù)表示的BRDF函數(shù)表達，利用各個幾何點的法向量與相應的vMF分布函數(shù)參數(shù) 的乘積構建Mip-map紋理。
[0010] 構建一張屏幕空間大小的紋理，將目標場景中各個幾何點的法向量與相應的vMF 分布函數(shù)參數(shù)的乘積存儲在該紋理中，并依據(jù)該紋理構建Mip-map紋理。
[0011] (3)依據(jù)每個屏幕空間像素點對應的目標場景顏色、目標場景中每個幾何點的空 間位置和法向向量、以及Mip-map紋理在屏幕空間進行繪制，對于每個繪制點，依據(jù)該繪制 點的材質信息使用重要性采樣方法生成入射光線的采樣方向，沿著每個采樣方向使用光線 追蹤技術（Ray-Marching技術）在屏幕空間中計算得到每個采樣方向與目標場景的交點。 [0012] 如果采樣方向與目標場景沒有交點，也即該采樣方向不存在間接光照，直接利用 現(xiàn)有技術處理即可，如果采樣方向與目標場景存在交點，則繼續(xù)進行步驟（4)。
[0013] (4)對于每個交點，利用重要性采樣權重計算該采樣方向所對應的立體角的大 小，并依據(jù)立體角的大小和攝像機與交點的距離，計算該采樣方向在屏幕空間中對應的 Mip-map 級別。
[0014] 步驟（4)中，利用重要性采樣權重計算該采樣方向所對應的立體角大小的公式如 下：
[
[0016] 式中：Qs為立體角；N為進行重要性采樣的樣本數(shù)量；p (S1, s。）為每個樣本的對應 PDF概率，（S1, s。）為該PDF函數(shù)的參數(shù)，其中S1是入射方向，s。是出射方向。
[0017] 步驟⑷中計算Mip-map級別的方法如下：
[0018] 某一交點處一個像素對應于繪制點的立體角大小為
[0020] 式中：w為攝像機的可視角；1為攝像機與交點的距離；Θ為交點法向與采樣方向 的夾角；d為交點與繪制點的距離；h為當前屏幕分辨率的像素高度值；
[0021] 立體角Qs在屏幕空間中所占據(jù)的像素數(shù)量Np依據(jù)下式計算：
[0023] 采樣方向在屏幕空間中對應的Mip-Map級別Im依據(jù)下式計算：
[0025] (5)利用步驟⑷所得Mip-map級別對步驟（2)中的Mip-map紋理進行Mip-map 采樣，得到求和后的某一區(qū)域內目標場景幾何點的法向量與相應的vMF分布函數(shù)參數(shù)的乘 積，利用該乘積計算該區(qū)域的材質所對應的BRDF函數(shù)的參數(shù)，所述區(qū)域為采樣方向對應的 立體角投影到目標場景所形成的區(qū)域。
[0026] 步驟（5)中，計算區(qū)域的材質BRDF函數(shù)的參數(shù)的方法如下：
[0027] 5-1、利用下式在區(qū)域內擬合得到vMF分布函數(shù)的Γι _n參數(shù)，
[0029] 式中，M為投影區(qū)域內包含的像素數(shù)量；
[0030] &為幾何點j對應的vMF分布函數(shù)的軸向；
[0031 ] 1^為幾何點j的法向向量；
[0032] p為出射方向即當前重要性采樣方向的反方向；
[0033] 5-2、利用下式計算得到vMF分布函數(shù)對應的BRDF函數(shù)參數(shù)μ i _"和κ i _n:
[0036] (6)在不同的光照環(huán)境下，利用每個屏幕空間像素點對應的目標場景顏色、以及相 應材質所對應的BRDF函數(shù)的參數(shù)，計算采樣方向的光照結果。
[0037] 步驟(6)中的光照環(huán)境可以采用環(huán)境映射貼圖或離散點光源，如果采用環(huán)境映射 貼圖，則預先利用選定的BRDF函數(shù)計算得到不同材質的高光系數(shù)，以及相應材質在不同的 采樣方向下，在該環(huán)境映射貼圖中的光照結果列表，利用采樣方向和步驟（5)獲得的BRDF 函數(shù)的參數(shù)在該列表中查找，得到采樣方向的光照結果；如果采用離散點光源，基于步驟 (5)獲得的BRDF函數(shù)的參數(shù)，利用選定的BRDF函數(shù)計算采樣方向的光照結果。
[0038] (7)將計算得到的各采樣方向的光照結果按照重要性采樣權重進行加權求和，并 依據(jù)求和結果對目標場景進行渲染。
[0039] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果如下：
[0040] 本發(fā)明提供了一種具有實時性能的間接高光計算技術，結合屏幕空間相關技術的 優(yōu)勢，基于屏幕空間進行間接高光的計算，將區(qū)域材質的BRDF函數(shù)參數(shù)的擬合計算轉移到 一個新的線性計算空間，使得在保持高效率運算的同時，大幅度提升了目標場景的繪制結 果，與SSDO方法相比，本發(fā)明在不損失性能的前提下，大大提高了間接高光光照計算的準 確度，獲得更佳的渲染效果。
【附圖說明】
[0041] 圖1為本發(fā)明基于在屏幕空間計算間接反射高光的渲染方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0042] 如圖1所示，一種基于在屏幕空間計算間接反射高光的渲染方法，包括以下步驟：
[0043] (1)對目標場景進行初步渲染，得到攝像機視角下，每個屏幕空間像素點對應的目 標場景顏色、目標場景中每個幾何點的空間位置和法向向量。
[0044] 基于延遲渲染框架對當前需要渲染的攝像機視角的目標場景進行渲染，使用 MRT (multiple render targets)方法將目標場景的幾何紋理（幾何點的空間位置，幾何點 的法線方向，深度）、材質（BRDF高光系數(shù)）以及每個像素點的顏色信息保存到相應的紋理 緩存中，以供后續(xù)步驟使用。
[0045] (2)每個屏幕空間像素點對應目標場景中的一個幾何點，該幾何點的材質使用 vMF分布函數(shù)表示的BRDF函數(shù)表達，利用各個幾何點的法向量與相應的vMF分布函數(shù)參數(shù) 的乘積構建Mip-map紋理。
[0046] 額外建立一張覆蓋屏幕空間的紋理，紋理的每個像素存儲該點對應于幾何場 景幾何點的法向量與對應材質的BRDF函數(shù)參數(shù)的乘積，BRDF函數(shù)對應的vMF分布函數(shù) (vonMises-Fishder distribution)參數(shù) I |r I I 利用以下方法獲得。
[0047] vMF(vonMises-Fishder distribution)是一個概率密度分布函數(shù)，描述的是在給 定主軸方向μ以后，求方向s的概率分布γ (S):
[0048] γ (s) = c(k )eK(lls)
[0049] 其中，κ是所需要描述的BRDF函數(shù)寬度的倒數(shù)，越高的κ表示方向越集中。
是歸一化因子，sinh是雙曲正弦函數(shù)，除了 c(K)以外，vMF分 布和球面高斯（Spherical Gaussian)分布是完全一樣的。
[0051] 當κ遠大于1時，vMF近似為以下形式：
[0053] 將由γ (k，s)表示的vMF分布函數(shù)，重新表示為I |r| I的分布函數(shù)γ (| |r| |)，假 設有一組方向syi e [1，Μ]是由一個vMF分布函數(shù)γ (s)中產(chǎn)生的一組方向，M為投影區(qū) 域內包含的像素數(shù)量，通過計算非歸一化的平均方向
來逆向估算該vMF分 布函數(shù)的參數(shù)，r指向了對應BRDF函數(shù)的平均方向，也即該vMF分布的軸向，而I |r I I則表 明了該平均方向的長度，也即相應BRDF函數(shù)的寬度。
[0054] 若已知κ，則可以利用如下公式對vMF分布函數(shù)中的I |r I I進行求解：
[0055] I I r I 13- κ I I r I 12_3 I I r I I + κ = 〇 0
[0056] 獲得表示每個像素點材質的以I |r I I為參數(shù)的vMF分布函數(shù)之后，將每個像素點 對應的I |r| I值和當前像素點對應的法向η的向量值相乘并存儲在紋理緩存中，針對像素 點 j，TexPix = I Irj I |nj〇
[0057] (3)依據(jù)每個屏幕