一种由镜面反射产生的3D虚拟场景面焦散效果的绘制方法

摘要

本发明公开一种由镜面反射产生的3D虚拟场景面焦散效果的绘制方法，属于真实感3D虚拟场景绘制技术领域。当前，常用光子映射算法绘制3D虚拟场景的面焦散效果。光子映射算法要求对光源发射的大量光子进行跟踪计算，这会严重降低3D虚拟场景面焦散效果的绘制效率。本发明首先计算所有镜面反射三角形面片顶点位置处的反射光线，再根据这些反射光线确定3D虚拟场景中的所有焦散照明体；在绘制3D虚拟场景时，如果待绘制场景点处于某个焦散照明体之中，则在该场景点的光照值中加入此焦散照明体的贡献，从而实现对面焦散效果的绘制。本发明方法可以很容易地集成到光线跟踪算法框架之中，能显著地提高3D虚拟场景绘制的真实感。

主权项

一种由镜面反射产生的3D虚拟场景面焦散效果的绘制方法，其特征在于，所需的数据结构及实现步骤如下：所需的数据结构：提供一种存储3D虚拟场景A001中的镜面反射三角形面片的顶点位置A002、顶点法向量A003以及顶点位置处的反射光线方向向量A004的数据结构A005，称数据结构A005为镜面反射顶点数据结构A006；镜面反射顶点数据结构A006包括顶点位置的x坐标Px101、顶点位置的y坐标Py102、顶点位置的z坐标Pz103、顶点法向量的x分量nx104、顶点法向量的y分量ny105、顶点法向量的z分量nz106、顶点位置处的反射光线方向向量的x分量Rx107、顶点位置处的反射光线方向向量的y分量Ry108、顶点位置处的反射光线方向向量的z分量Rz109共9个成员变量；实现步骤：方法010部分创建3D虚拟场景A001中的镜面反射顶点列表B001，并计算各镜面反射顶点位置处的反射光线方向向量，具体步骤如下：步骤S011：将3D虚拟场景A001中的所有镜面反射三角形面片的顶点位置B002及其法向量B003存入镜面反射顶点列表B001中，其中镜面反射顶点列表B001的每个元素B004都是一个镜面反射顶点数据结构A006类型的变量；步骤S012：对镜面反射顶点列表B001中的每个元素B004，做如下计算：①计算从元素B004包含的顶点位置指向点光源207位置的向量B005；②对向量B005进行归一化运算；③将元素B004包含的顶点法向量B003与向量B005进行点乘运算，如果点乘运算的结果小于或等于0，则将元素B004从镜面反射顶点列表B001中删除，否则以向量B005与元素B004包含的顶点法向量B003的夹角为入射角，根据镜面反射定律计算元素B004包含的顶点位置处的反射光线方向向量B006，并将反射光线方向向量B006的x分量、y分量、z分量分别存储在元素B004的Rx107、Ry108、Rz109成员变量之中；方法020部分创建产生焦散照明体的三角形列表C001，具体步骤如下：步骤S021：将3D虚拟场景A001中的所有镜面反射三角形面片存入一个镜面反射三角形列表C002中；步骤S022：对于镜面反射三角形列表C002中的每个三角形面片C003，如果在镜面反射顶点列表B001中不能一一找到与三角形面片C003的各个顶点位置对应的元素，则将三角形面片C003从镜面反射三角形列表C002中删除；步骤S023：将镜面反射三角形列表C002赋值给三角形列表C001；方法030部分实现场景点D001的焦散光照值的计算，具体步骤如下：步骤S031：创建一个包含场景点D001的平面D002，且平面D002的法向量平行于场景点D001的法向量；步骤S032：对于三角形列表C001中的每个三角形面片D003，做如下计算：①在镜面反射顶点列表B001中找出与三角形面片D003包含的三个顶点位置对应的元素的索引号，并分别赋值给索引变量id1、id2和id3；②将索引变量id1对应的镜面反射顶点列表B001的元素赋值给变量V1，将索引变量id2对应的镜面反射顶点列表B001的元素赋值给变量V2，将索引变量id3对应的镜面反射顶点列表B001的元素赋值给变量V3；③根据变量V1包含的顶点位置的x坐标Px101、顶点位置的y坐标Py102、顶点位置的z坐标Pz103、顶点位置处的反射光线方向向量的x分量Rx107、顶点位置处的反射光线方向向量的y分量Ry108、顶点位置处的反射光线方向向量的z分量Rz109共6个成员变量，创建一条起始于变量V1包含的顶点位置，方向平行于变量V1包含的顶点位置处的反射光线方向向量的射线D004，并判断射线D004与平面D002是否相交，如果相交则计算出对应的交点D005并置Flag1＝1，否则置Flag1＝0；④根据变量V2包含的顶点位置的x坐标Px101、顶点位置的y坐标Py102、顶点位置的z坐标Pz103、顶点位置处的反射光线方向向量的x分量Rx107、顶点位置处的反射光线方向向量的y分量Ry108、顶点位置处的反射光线方向向量的z分量Rz109共6个成员变量，创建一条起始于变量V2包含的顶点位置，方向平行于变量V2包含的顶点位置处的反射光线方向向量的射线D006，并判断射线D006与平面D002是否相交，如果相交则计算出对应的交点D007并置Flag2＝1，否则置Flag2＝0；⑤根据变量V3包含的顶点位置的x坐标Px101、顶点位置的y坐标Py102、顶点位置的z坐标Pz103、顶点位置处的反射光线方向向量的x分量Rx107、顶点位置处的反射光线方向向量的y分量Ry108、顶点位置处的反射光线方向向量的z分量Rz109共6个成员变量，创建一条起始于变量V3包含的顶点位置，方向平行于变量V3包含的顶点位置处的反射光线方向向量的射线D008，并判断射线D008与平面D002是否相交，如果相交则计算出对应的交点D009并置Flag3＝1，否则置Flag3＝0；⑥如果Flag1＝1且Flag2＝1且Flag3＝1，则转⑦，否则三角形面片D003产生的焦散照明体对场景点D001的光照贡献为0，结束三角形面片D003产生的焦散照明体对场景点D001的光照贡献计算；⑦如果场景点D001处于由交点D005、交点D007和交点D009确定的三角形之内或者确 定的直线段之上，则转⑧，否则三角形面片D003产生的焦散照明体对场景点D001的光照贡献为0，结束三角形面片D003产生的焦散照明体对场景点D001的光照贡献计算；⑧首先创建一个包含场景点D001的平面D010，且平面D010的法向量平行于三角形面片D003的法向量，然后计算射线D004与平面D010的交点D011，计算射线D006与平面D010的交点D012，计算射线D008与平面D010的交点D013；根据变量V1、变量V2、变量V3包含的顶点位置处的反射光线方向向量，通过插值计算出，在由交点D011、交点D012和交点D013确定的三角形内或者直线段上，场景点D001位置处的反射光线方向向量D014；⑨创建一条起始于场景点D001位置，方向平行于反射光线方向向量D014的反向向量的射线D015；计算射线D015与三角形面片D003的交点D016；创建一条起始于交点D016，终止于点光源207位置的线段D017；测试3D虚拟场景A001中是否有三角形面片D018与线段D017有交，如果无交则转⑩，否则三角形面片D003相对于点光源207被部分遮挡，其产生的焦散照明体对场景点D001的光照贡献为0，结束三角形面片D003产生的焦散照明体对场景点D001的光照贡献计算；⑩计算由交点D011、交点D012和交点D013确定的三角形的面积与三角形面片D003的面积之比αD019；创建从交点D016指向点光源207位置的向量D020；对向量D020进行归一化计算；根据三角形面片D003的三个顶点位置，计算三角形面片D003的表面法向量D021；根据点光源207到交点D016的距离、向量D020与表面法向量D021的夹角以及点光源207的辐射亮度，计算三角形面片D003的照明度D022，将照明度D022乘以面积之比αD019并赋值给变量ID023；根据变量ID023的值、场景点D001的材质属性以及场景点D001的法向量与反射光线方向向量D014的反向向量的夹角，按照光照反射模型计算三角形面片D003产生的焦散照明体对场景点D001的光照贡献值，并将其加到场景点D001的总光照值之中。