路径追踪中出射光线方向的快速采样方法

作     者：刘成浩 Liu Chenghao

作者机构：北京理工大学信息与电子学院北京100081 

出 版 物：《中国图象图形学报》 (Journal of Image and Graphics)

年 卷 期：2018年第23卷第11期

页      面：1707-1719页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主　　题：计算机图形学 路径追踪 双向反射分布函数 双向反射分布函数BRDF采样算法 快速采样 图形处理器(GPU) 

摘      要：目的基于双向反射分布函数的重要性采样方法在渲染物体材质表面时有极佳的拟真度,但采样方式存在复杂和高硬件存储开销的问题。针对上述问题,提出了一种基于权重生成和向量线性插值的采样方法用于解决该问题。方法在对出射光线方向进行计算时,通过给定的入射光方向、法线方向与物体表面材质光滑度参数,首先计算镜面反射光线方向,再结合余弦与指数函数二者的函数特性生成具有一定分布特征的权重值,并将镜面反射方向与随机生成的漫反射方向进行线性插值,其插值权重即为上述生成的权重值,最后规范化得到具有一定分布特征的新的出射方向。结果本文基于该快速采样方法,给出了路径追踪渲染算法的一套完整实现,并利用本文算法,从常见各类物体表面中抽取9种进行渲染,将所得实验结果与通过原始双向反射分布函数采样算法所渲染得到的实际结果进行比较,发现利用快速采样算法后渲染速度可提升1. 52 1. 99倍,且由于近似所造成的相对误差可控制在8%以内,并将原本用于描述物体表面的34 MB数据量降为仅几个浮点数的数据量,可知上述采样方法既具有极低硬件存储开销的特点,其渲染的图片又能保有较高的拟真度。随着光滑度参数的连续变化,可使得被渲染的物体表面由理想漫反射到理想镜面反射之间均匀过渡,从而统一了漫反射、高光反射与镜面反射三者的采样形式。结论本文使用简化的出射光方向采样算法替代传统BRDF重要性采样算法,并配套给出基于新采样算法实现的一套完整的路径追踪渲染方法,使得在不失真实度的情况下使得计算机在模拟漫反射、高光反射与镜面反射的形式得以简化与统一。本文方法亦可作为现有诸多采样方法的替代方案,其极低的存储开销优势可用于渲染含有大量不同材质的复杂场景;在渲染一般的粗糙表面、瓷器以及金属等常见各向同性材质时也有较佳的表现力。上述的完整实现方式可以在需要的时候对静态场景做不失真实度的快速渲染。