111 / 2022-10-12 15:31:10

基于凝视点的快速辐射度渲染方案的设计与实现

凝视点相关渲染技术是基于人的视觉系统成像特点设计的一类图形渲染方法，它通过分配计算资源或后处理效果，使渲染结果更符合人眼成像规律，并节省渲染开销。在人的视觉系统中，眼球可以接收较广范围的视觉信号，但专注区域却很小，这一小块区域被称为视网膜中央凹区域。这一区域集中分布了大量的视锥细胞，对强光和颜色信息非常敏感。从视网膜中央凹区域向外，视杆细胞分布逐渐增多，至锯齿缘附近，视细胞消失。在虚拟现实技术与相关应用中，凝视点相关渲染可以在保持屏幕空间凝视区域较高渲染质量的同时，忽略周围区域的渲染细节，因而被广泛用于加速图形渲染和提升渲染观感。

全局光照渲染是真实感渲染的重要组成部分，也是计算机图形学中被深入研究的复杂课题。光线追踪算法可以得到较高质量的渲染结果，高采样率的路径追踪算法几乎可以模拟出无偏的真实光照效果。这类算法本身较为复杂，但难以达到实时渲染，也对硬件提出了较高的要求。辐射度类算法基于辐射度量学模拟场景内光线的传播过程，能够较快地模拟全局光照效果。我们更关注渲染性能时，可以考虑辐射度类方法作为模拟全局光照的解决方案。由于凝视点相关渲染方法主要针对屏幕空间，无法直接适用于辐射度类方法。本文设计并实现了一种基于凝视点的快速辐射度渲染方案，通过分析人视觉系统的敏感度机制，在标准快速辐射度方法的基础上结合了视觉凝视模型，根据凝视重要度调整虚拟光源分布，在渲染输出图像中保证凝视区域的高质量间接光照，并降低整体渲染开销。本文的主要研究内容包括以下三个方面：

(1) 生成凝视点相关的虚拟光源。启发自双向立即辐射度算法，本文从屏幕空间凝视区域出发，向场景内发射光线来生成虚拟光源采样点。这些采样点经由凝视区域物体反射后，对视点间接可见。

(2) 凝视重要度的估计。本文通过凝视点视觉信息设计一种度量，用于判断虚拟光源对屏幕空间凝视区域的视觉重要性。凝视重要度是后续相关管理算法的依据和基础。

(3) 虚拟光源管理策略。类似于递增式快速辐射度方法，本文希望尽量重利用上一帧中有效的虚拟光源及其信息，这将涉及到一系列针对虚拟光源的管理算法与策略。包括对虚拟光源有效性的验证，虚拟光源重要性的计算与判断，虚拟光源的增删策略，以及阴影图的绘制及重利用策略等。