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    重庆时时彩后三组三什么意思: 一种绘制真实感图形的方法.pdf

    关 键 词:
    一种 绘制 真实感 图形 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110157195.7

    申请日:

    2011.06.13

    公开号:

    CN102222356A

    公开日:

    2011.10.19

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G06T 15/06申请公布日:20111019|||实质审查的生效IPC(主分类):G06T 15/06申请日:20110613|||公开
    IPC分类号: G06T15/06(2011.01)I 主分类号: G06T15/06
    申请人: 天津大学
    发明人: 徐庆; 刘彧
    地址: 300072 天津市南开区卫津路92号
    优先权:
    专利代理机构: 天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201 代理人: 温国林
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110157195.7

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2013.05.15|||2011.11.30|||2011.10.19

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种绘制真实感图形的方法,涉及图像处理领域,将图像分成大小相同的采样区域,对每个采样区域分别获取采样点坐标,将采样点坐标初始化为每个采样区域的左上角坐标;对每个采样区域中的像素点进行光线追踪;判断当前采样点坐标是否位于采样区域最右端;判断所述当前采样点坐标是否位于采样区域最底端,采样结束后,对每个采样区域进行光径复用,本发明消除了因为复用程度的不同而引起的边界问题和方块效果;同时针对脉冲噪声造成的“光斑”效果,引入了自适应的思想;并且在光径复用过程中兼顾效率和图像质量两方面的问题,采用了对质量贡献最大的一条或多条光线做复用,使得大幅度地提高了真实感图像绘制的速度。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种绘制真实感图形的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
    (1)将图像分成大小相同的采样区域,对每个采样区域分别获取采样点坐标(x,y),将所述采样点坐标(x,y)初始化为所述每个采样区域的左上角坐标;
    (2)对所述每个采样区域中的像素点进行光线追踪;
    (3)判断当前采样点坐标(x,y)是否位于采样区域最右端,如果是,执行步骤(4);如果否,执行步骤(5);
    (4)判断所述当前采样点坐标(x,y)是否位于采样区域最底端,如果是,执行步骤(7);如果否,执行步骤(6);
    (5)当前采样点横坐标x=x+1,重新执行步骤(2);
    (6)当前采样点坐标x=0,y=y+1,重新执行步骤(2);
    (7)采样结束后,对所述每个采样区域进行光径复用。

    2.  根据权利要求1所述的一种绘制真实感图形的方法,其特征在于,步骤(7)中所述对所述每个采样区域进行光径复用具体为:
    获取采样区域中大于第一阈值的一条或多条光线,对所述一条或多条光线进行光径复用;
    对每一对光径,发射一条光线,光线连接点xi和yj,其中i,j=1,2,3...n,并且i不等于j,和当前像素点临近的像素点在反射折射时复用所述当前像素点的光径,获取光径复用后的图像;
    通过滑动窗口方式对所述光径复用后的图像进行处理;
    对生成的当前象素进行质量评价获取质量评价结果,当所述质量评价结果大于第二阈值时,所述当前像素是噪声点,所述当前像素接受其他像素的复用。

    3.  根据权利要求2所述的一种绘制真实感图形的方法,其特征在于,所述通过滑动窗口方式对所述光径复用后的图像进行处理具体为:
    让两个临近区域有重合区域,对重合区域两侧的象素做光径复用,接收两侧象素对重合区域的光径复用操作。

    说明书

    说明书一种绘制真实感图形的方法
    技术领域
    本发明涉及图像处理领域,特别涉及一种绘制真实感图形的方法。
    背景技术
    真实感图形生成系统由相辅相成的几个部分组成,包括:颜色视觉、简单光照模型、局部光照模型、光透射模型、纹理映射、整体光照模型和实时真实感图形学技术。
    在真实感图形学中,把仅处理光源直接照射物体表面的光照模型称为局部光照模型,而与此相对应的,可以处理在物体之间,光照的相互作用的模型称为整体光照模型。简单光照模型和局部光照模型,虽然可以产生物体的真实感图象,但它们都只是处理光源直接照射物体表面的光强计算,不能很好的模拟光的折射、反射和阴影等,也不能用来表示物体间的相互光照影响;而基于简单光照模型的光透射模型,虽然可以模拟光的折射,但是这种折射的计算范围很小,不能很好的模拟多个透明体之间的复杂光照现象。对于上述的这些问题,就必须要有一个更精确的光照模型。整体光照模型就是这样的一种模型,它是相对于局部光照模型而言的。在现有的整体光照模型中,主要有光线跟踪和辐射度两种方法,它们是当今真实感图形学中最重要的两个图形绘制技术,在CAD及图形学领域得到了广泛的应用。
    光线跟踪算法是生成真实感图形绘制的一种主要算法之一。因为该算法原理简单,实现方便,且能生成各种逼真的视觉效果,所以引起了图形学领域的广泛注意和研究。在光线跟踪算法中可以通过超级采样来消除噪声,但是这种做法会使绘制真实感图形增加非常大的计算量。所谓超级采样就是增加每个象素采样点的个数,从而提高象素质量。因为每增加一个采样点,需要绘制系统为其生成一条新的光线,进行光线积分和求交测试运算,所以超级采样方法虽然可以大大的提高绘制真实感图形的质量,但是往往需要耗费大量的计算资源,不能兼顾绘制效率。自适应采样算法可以看成是一种非均匀超级采样技术,这种算法可以分为三步:用标准的光线跟踪算法生成一幅低采样密度的图形;根据生成的图形来确定那些屏幕象素区域需要超级采样;采用适当的滤波器来生成最终图形。从算法描述可知,无论是超级采样算法还是自适应采样算法都没有考虑光线之间的邻域相关性,或者说它们只是考虑了一个象素内部光线的相关性,在一个象素区域内对每个采样点进行滤波,而没有关注象素级别的上邻域相关性,使得采用传统光线追踪会导致计算量太大,使得算法速度过慢,无法满足实际应用中的需要。
    发明内容
    为了解决传统光线追踪中计算量太大导致算法速度过慢的问题,本发明提供了一种绘制真实感图形的方法,详见下文描述:
    一种绘制真实感图形的方法,所述方法包括以下步骤:
    (1)将图像分成大小相同的采样区域,对每个采样区域分别获取采样点坐标(x,y),将所述采样点坐标(x,y)初始化为所述每个采样区域的左上角坐标;
    (2)对所述每个采样区域中的像素点进行光线追踪;
    (3)判断当前采样点坐标(x,y)是否位于采样区域最右端,如果是,执行步骤(4);如果否,执行步骤(5);
    (4)判断所述当前采样点坐标(x,y)是否位于采样区域最底端,如果是,执行步骤(7);如果否,执行步骤(6);
    (5)当前采样点横坐标x=x+1,重新执行步骤(2);
    (6)当前采样点坐标x=0,y=y+1,重新执行步骤(2);
    (7)采样结束后,对所述每个采样区域进行光径复用。
    步骤(7)中所述对所述每个采样区域进行光径复用具体为:
    获取采样区域中大于第一阈值的一条或多条光线,对所述一条或多条光线进行光径复用;
    对每一对光径,发射一条光线,光线连接点xi和yj,其中i,j=1,2,3...n,并且i不等于j,和当前像素点临近的像素点在反射折射时复用所述当前像素点的光径,获取光径复用后的图像;
    通过滑动窗口方式对所述光径复用后的图像进行处理;
    对生成的当前象素进行质量评价获取质量评价结果,当所述质量评价结果大于第二阈值时,所述当前像素是噪声点,所述当前像素接受其他像素的复用。
    所述通过滑动窗口方式对所述光径复用后的图像进行处理具体为:
    让两个临近区域有重合区域,对重合区域两侧的象素做光径复用,接收两侧象素对重合区域的光径复用操作。
    本发明提供的技术方案的有益效果是:
    本发明提供了一种绘制真实感图形的方法,大量的实验结果表明光径复用这种牺牲空间换时间的算法对真实感图像的绘制有着很积极的影响,在兼顾绘制效率的情况下,大幅的提高了真实感图像的质量;本发明改变了Pbrt系统通常采用的方式,并且消除了因为复用程度的不同而引起的边界问题和方块效果;同时针对光径复用过程中由于脉冲噪声造成的“光斑”效果,对光径复用技术引入了自适应的思想;并且在光径复用过程中兼顾效率和图像质量两方面的问题,采用了在像素中对质量贡献最大的一条或多条光线做复用,使得很大程度的提高了真实感图像绘制的速度。
    附图说明
    图1为Pbrt系统的结构示意图;
    图2为采样的示意图;
    图3为简单复用的效果图;
    图4-1为path tracing示意图;
    图4-2为增加采样点个数后的path tracing示意图;
    图4-3为光路复用示意图;
    图5-1为区域采样的边界效果示意图;
    图5-2为消除了边界效果的效果图;
    图6为区域边界复用的原理图;
    图7-1为现有技术中提供的效果图;
    图7-2为只采用了复用后得到的效果图;
    图7-3为采用质量评价后得到的效果图;
    图8为本发明实施例提供的一种绘制真实感图形的方法的流程图。
    具体实施方式
    为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
    为了解决传统光线追踪中计算量太大导致算法速度过慢的问题,本发明实施例提供了一种绘制真实感图形的方法,详见下文描述:
    2002年,Philippe Bekaert提出了一种叫做path reuse的算法,这种算法的主要思想是在绘制整幅图像时或者在绘制完图像的某个子区域时把已经计算好了的光路信息(包括该光径与场景中物体或景物的交点信息以及在各交点处的pdf和光照值等)存储起来,然后在某个特定大小的区域内做光线间相互复用??悸堑焦庀吒俜ǖ募扑懔看?,加速算法的改进也具有重要意义。本发明实施例主要是对path reuse算法进行了深入的理论研究和实践,在实现该算法的基础上,通过对不同复杂度场景的绘制效果的分析,找出path reuse算法在某些方面的不足之处,并针对出现的问题对path reuse算法做出了一些改进。而实际上,无论是像素内部的光线还是像素之间,临近采样点的光线追踪路径都是具备一定相关性的?;谡庵窒喙匦缘目悸?,光径复用成为可能,主要思想是在绘制整幅图像时或者在绘制完图像的某个子区域时把已经计算好了的光路信息,包括该光径与场景中物体或景物的交点信息以及在各交点处的光照值等存储起来,然后在某个特定大小的区域内做光线间相互复用。利用这种方法可大幅提高运算速度。
    参见图1,Pbrt系统使用的是一种插件(plug-in)结构,在Pbrt系统中有一个非常重要的??閏ore,该core??橹邪锌刂普鯬brt系统绘制流程的代码,但是没有任何的关于具体几何形状或光源描述的实现代码。事实上,core??槲髦植寮嘈吞峁┝顺橄蠡嗷蚪涌?,所有的插件都是从core??橹屑坛信缮?,当进行场景绘制时,Pbrt系统会根据场景文件描述来动态加载需要的插件。这种结构使得Pbrt系统易于被扩展,甚至可以向core??橹屑尤胄碌慕涌?,然后在外部实现相应的插件。Pbrt系统的图形绘制可以分为三个阶段,首先是读取用户提供的场景文件。场景文件本身是一个文本格式文件,该文件给出场景中的物体的位置,物体的几何形状以及表面的材质属性,光源的位置以及发光强度信息,还有场景中的虚拟镜头信息等的描述。当读入场景信息后,所有的场景信息在内存中构造完毕,真正的绘制开始,Pbrt系统运行到主绘制流程,该阶段由渲染函数Scene::Render()方法进入绘制主流程,计算每个象素的光照值,当所有的象素都被计算过,并且将它们的值都写入film??橹泻?,该阶段结束。最后一个阶段,当所有的象素值被计算出来之后,并且在Pbrt系统将这幅图像写入到磁盘之前,Pbrt系统还有一些后期处理工作,例如:打印统计信息和系统资源耗费情况等。
    ,参见图2在象素1和象素2内各有4个采样点,并且在同一个tile内,tile的大小为4,内含16个象素。这四个对应象素之间逐个进行复用的方法。其中每个象素被复用15次。这种方法的优点是原理简单并且在计算机上容易编程实现。但是,本发明实施例前面提到过光径复用算法是通过考虑每条光线之间的领域相关性来提高真实感图形的绘制效果的。在简单复用方式下,用tile来界定区域就是对邻域相关性的一种考虑,但是有其局限性:
    首先,这种相关性对每个象素来说是不“公平”的,中间部分的象素会收到来自其周围象素的复用贡献,而靠近边界的部分只能收到来自它的一侧相邻区域的复用贡献,与令一侧相邻区域的象素间的颜色光照差距变大了;
    其次,此方法没有处理两个tile边界处象素之间的过渡,反而让它们之间的“距离”(视觉上感受到的差距)变大了。原因是边界处的两个相邻象素通过复用,它们的光照值会向各自所在tile的中心靠拢;
    再次,这种方法只是实现了复用,并没有真正的达到复用的目的:牺牲空间换时间。因为绘制一幅中等效果的真实感图形需要在每个象素上跟踪上百条光线,就是说对每个象素进行复用时还要进行上千甚至上万次的计算,消耗了大量的时间;
    最后,在Pbrt系统原有采样方式下实现光径复用必须要记录下整个象素平面上所有象素的光径信息。记录的每条光径在内存中占用的空间大小为0.6k,如果要绘制一幅200×200分辨率,每个象素采样100次,即每个象素要跟踪100条光线,对于这样一幅图像要消耗100×200×200×0.6k=2.4G,鉴于实验环境,还对采样方式做了一些改变。图3是采用现有技术得到的简单复用的效果图,从中可以看到存在很多的方块区域。
    本发明实施不在对整个象素平面逐象素的顺序采样,而是把图像分成大小相同的采样区域,在每个区域内进行采样,当一个区域的采样完毕以后在这个区域内进行光径复用操作。这样就不用存储整个象素平面的光径了,从而可以进行大计算量的图形绘制。
    101:将图像分成大小相同的采样区域,对每个采样区域分别获取采样点坐标(x,y),将采样点坐标(x,y)初始化为采样区域的左上角坐标;
    其中,在简单的采样过程中,可以将采样点坐标(x,y)初始化为初始化为(0,0),其中,x为采样点的横坐标,y为采样点的纵坐标。例如:图像分辨率为60×60,则采样点坐标(x,y)的坐标范围均为0-60,即采样点横坐标x的取值范围为0-60,采样点纵坐标y的取值范围为0-60。
    102:对每个采样区域中的像素点进行光线追踪;
    本发明实施通过增加每个采样区域中的象素点个数,对每个象素跟踪多条光径,可以改善图像质量,降低噪声。
    103:判断当前采样点坐标(x,y)是否位于采样区域最右端,如果是,执行步骤104;如果否,执行步骤105;
    其中,判断当前采样点坐标(x,y)是否位于采样区域最右端即判断采样点(x,y)横坐标x方向是否采样结束。
    104:判断当前采样点坐标(x,y)是否位于采样区域最底端,如果是,执行步骤107;如果否,执行步骤106;
    其中,判断当前采样点坐标(x,y)是否位于采样区域最底端即判断采样点(x,y)纵坐标y方向是否采样结束。
    例如:判断采样点横坐标x是否等于60,如果否,采样点横坐标x=x+1,重新执行步骤102;如果是,采样点横坐标x等于60,采样点横坐标x方向采样结束,执行步骤105。
    105:采样点横坐标x=x+1,重新执行步骤102;
    106:采样点坐标x=0,y=y+1,重新执行步骤102;
    例如:判断采样点纵坐标y是否等于60,如果否,采样点坐标x=0,y=y+1,重新执行步骤102;如果是,采样点纵坐标y等于60,采样点纵坐标y方向采样结束,流程结束。
    107:采样结束后,对每个采样区域进行光径复用。
    其中,光径复用类似图像处理中的滤波算法,通过利用已经计算的邻域象素的结果来提高象素质量,减少光径跟踪的消耗。
    本发明实施例希望通过减少每个象素内被复用的采样点的个数来降低在时间上的消耗。在绘制图形的时候,一个象素中要包含很多的采样点,由这些采样点发出的光线对该象素的光照贡献大部分都集中在某个数值区域内,只有少数的几条会高于这个区域的上限。并且这几条光线对象素质量贡献较大,如果这些光线与其他光线的值差距很大的话,就会出现脉冲噪声,这就是为什么能通过标准差来评测象素质量的原因;从另一个角度,可以把这些光线看成是比较重要的光线,在复用的时候只复用每个象素中一条或几条比较重要的光线。这样复用就不在受限于采样点的个数。
    1、获取采样区域中大于第一阈值的一条或多条光线,对一条或多条光线进行光径复用;
    其中,第一阈值由采样区域中的采样点发出的光线确定,具体实现时,本发明实施例对此不做限制。
    2、对每一对光径,发射一条光线,光线连接点xi和yj,其中i,j=1,2,3...n,并且i不等于j,和当前像素点临近的像素点在反射折射时复用当前像素点的光径,获取光径复用后的图像;
    参见图4-1、图4-2和图4-3,其中图4-1是对每个像素点进行一个采样点的光线追踪的示意图,图4-2是在图4-1的基础上增加了每个像素点中的采样点个数,这样可以有效的提高真实感图像生成的效果。但是图4-2中没有采用光径复用的方法,图中以三个像素,每个像素三个采样点为例即i=j=3进行说明:在进行光线追踪的时候,要对每一个像素点中的三个采样点都要进行完整的路径追踪,可以看到经过物体表面的发射或折射之后,同一像素中的不同采样点的路径往往有所差异,而且路径追踪线路复杂,这就导致了图像生成过程的大计算量。而光径复用的思想如图4-3当中所演示,光径复用的思想是临近像素点的光线路径具有一定的相似性,所以认为在进行光径复用计算时,路径可以复用临近像素点的数据。对每一对光径,发射一条光线,这条光线连接点xi和yj,其中i,j=1,2,3,并且i不等于j。在图4-3中这些光线用虚线标识,这样的结果就是使用类似图4-1中的数据计算量,就可以近似达到图4-2中大量采样点所得到的真实感图像。
    参见图5-1,进行采样区域划分以及光径复用后,在图中有明显的边界,人眼可以很清晰的看到。本发明实施例通过滑动窗口方式消除边界。
    3、通过滑动窗口方式对光径复用后的图像进行处理;
    其中,普通的滑动窗口方式的复用:以要复用的象素为中心确定一个固定大小的tile,在tile内用其它的象素对该象素做复用操作,以象素从左到右从上到下的顺序重复上述操作,于是就得到了一个跟着象素移动的窗口。这就是基于滑动窗口的复用方式,这种方式解决了简单方式中的“不公平”现象。但是在改变的采样方式区域采样时还是会出现区域边界处象素的过渡问题,就像原来简单复用中的tile边界问题,出现的原因也是相同的。本发明实施例要解决的问题可以看成如何把两个临近区域联系起来,即是两个临近区域边界处的象素可以互相复用,参见图6,中间重合区域为公共区域,起桥接作用,通过滑动窗口方式对光径复用后的图像进行处理具体为:
    让两个临近区域有重合区域,对重合区域两侧的象素做光径复用,接收两侧象素对重合区域的光径复用操作。
    参见图5-2,可以明显的看到边界问题得到了解决。:
    虽然边界问题得到解决,但是通过gamma(伽马)校正图5-2图像,会看到在图像的右上角和右下角会有一些亮斑出现,只是由于该场景不是很复杂,所以表现的不是很明显。通过分析,得出这样的结论:亮斑区域内存在一个或多个象素是脉冲噪声点。这样就很容易解释亮斑的出现了:在滑动窗口中,如果正在复用的象素是一个脉冲噪声的话,无论采用何种复用形式,“聚集式”(tile内的其他象素对中心点象素复用)或“发散式”(中心点处的象素对周围tile内的其他象素做复用)都会使周围的其他象素变的“亮”起来,于是出现了这种亮斑效果。
    4、对生成的当前象素进行质量评价获取质量评价结果,当质量评价结果大于第二阈值时,当前像素是噪声点,当前像素接受其他像素的复用。
    其中,对生成的当前象素进行质量评价可以采用标准差、信息熵和对比度等工具来进行质量评价,本发明实施例以标准差为例进行说明,具体实现时,本发明实施例对此不做限制。
    当检查出当前象素是噪声点时,不让它对其他的象素做复用,而只接受其他象素的复用,这样就能做到阻止个别噪声点的扩散,并且通过其他的像素的复用来削弱噪声。参见图7-1、图7-2和图7-3,图7-1为现有技术中提供的效果图,图7-2为只采用了复用后得到的效果图,图7-3为采用质量评价后得到的效果图,第二阈值为1,通过对三图的对比可以看到,光斑问题得到了很好的解决。
    其中,本发明实施例分析了真实感图形渲染的整体光照算法试验平台Pbrt绘制系统,该Pbrt系统有两个主要特征:首先它是一个完整的、健壮的系统。Pbrt系统本身是完整可用的,具有高效容错机制,可以绘制复杂场景。Pbrt系统被设计为一种基于插件的体系结构,具有良好的可扩展性。其次,Pbrt系统在算法、数据结构和绘制技术的选择方面非常谨慎,这样做的目的主要是让Pbrt系统的使用者可以更清晰的理解系统的功能实现和绘制的流程。并且由于Pbrt系统是基于插件的体系结构,每个插件就是一个完整的功能???,这样的话如果只需对某个??樽龈慕幕?,可以不必过多的关注其他的???,这样显然会减少工作的难度,提高工作效率;并对组成平台各部分的??榈墓δ芙辛讼晗傅姆治?,对系统的协作运行给出了协作图;以光线跟踪为算法核心的整体光照算法是真实感图形技术的主要分支,path reuse算法在图形绘制过程中可以做到兼顾生成图形的质量和图像的绘制效率问题,所以path reuse算法的研究具有重要意义。在path reuse算法中关键的部分是如何保证在复用的过程中保证光径积分运算的无偏性,即复用不是光径积分值的简单求和再平均过程;并且针对path reuse算法在某些复杂场景出现的问题进行了深入的分析,通过大量的实验和一些创新性理论的引入,对算法中的某些不足之处做出了一些卓有成效的改进,取得了一些有意义的结论;在现实世界中,景物表面存在丰富的纹理细节,人们正是根据这些纹理细节来区分各种具有相同形状的景物,因而景物表面纹理细节的模拟在真实感图形合成技术中起着非常重要的作用,在利用光径复用技术绘制真实感图形的过程中,向绘制场景中添加纹理元素,这样绘制出来的图像的真实感效果会更好。
    综上所述,本发明实施例提供了一种绘制真实感图形的方法,大量的实验结果表明光径复用这种牺牲空间换时间的算法对真实感图像的绘制有着很积极的影响,在兼顾绘制效率的情况下,大幅的提高了真实感图像的质量;本发明改变了Pbrt系统通常采用的方式,并且消除了光径复用引起的方块效果;同时针对光径复用过程中由于脉冲噪声造成的“光斑”效果,对光径复用技术引入了自适应的思想;并且在光径复用过程中兼顾效率和图像质量两方面的问题,采用了在像素中对质量贡献最大的一条或多条光线做复用,使得很大程度的提高了真实感图像绘制的速度。
    本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图,上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
    以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的?;し段е?。

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