全局光照算法在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的研究及應(yīng)用

胡力文

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065）

全局光照算法在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的研究及應(yīng)用

胡力文

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065）

基于物理特性的全局光照算法所得到的效果圖有著較高的真實(shí)度。路徑跟蹤和光子映射是兩個(gè)基于物理特性且比較有影響的兩個(gè)算法，后續(xù)有一些列算法均是它們演化而來。室內(nèi)設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的目的就是得到一張具有較高真實(shí)度的渲染圖，一個(gè)良好的燈光效果能夠增加圖片的層次感和真實(shí)度，基于現(xiàn)有的算法基礎(chǔ)之上，將傳統(tǒng)的全局光照算法和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法有機(jī)地結(jié)合起來并合理地運(yùn)用到室內(nèi)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)證明該方法能夠處理多大多數(shù)的環(huán)境之中并且取得不錯(cuò)的效果。

全局光照；光子映射；室內(nèi)設(shè)計(jì)；機(jī)器學(xué)習(xí)

0　引言

近年來隨著人們生活水平的提高，對所需選購的家居設(shè)備要求也越來越高，這就給家居設(shè)計(jì)廠商帶來了較大的挑戰(zhàn)。一方面需要快速地設(shè)計(jì)并生成不同風(fēng)格的裝修樣式，另一方面需要生成較接近真實(shí)效果的渲染圖。當(dāng)前業(yè)界內(nèi)普遍使用3ds Max來對室內(nèi)物品進(jìn)行建模及格局設(shè)計(jì)，并最終通過相關(guān)插件渲染出最后的效果圖。隨著設(shè)計(jì)需求的多樣化以及室內(nèi)場景的復(fù)雜化，3ds Max的局限性逐漸凸顯，使得在室內(nèi)場景布局比較復(fù)雜以及光線比較昏暗的條件下難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。全局光照算法一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中研究的重要領(lǐng)域，經(jīng)典的路徑跟蹤及光子映射后衍生出一系列高效的算法，本文針對室內(nèi)設(shè)計(jì)這一特殊需求下，利用現(xiàn)有技術(shù)來解決或滿足不同用戶的需求。

1　相關(guān)工作

全局光照算發(fā)表現(xiàn)了直接光照和間接光照的綜合效果，很好地解決了物體間的相互反射問題。Kajiya［2］于1986年提出了光照渲染方程和路徑跟蹤算法，奠定了后續(xù)一系列算法的理論基礎(chǔ)；在基于物理特性的全局光照領(lǐng)域，除了路徑跟蹤系列算法，還有一類比較經(jīng)典的光子映射算法，光子映射最早由Jensen［3］引入，對比與路徑跟蹤，光子映射是一類有偏的算法，其主要分為構(gòu)造光子圖和利用光子圖進(jìn)行渲染兩個(gè)階段：開始由光源位置向場景中發(fā)射大量光子，然后用類似于路徑跟蹤的方法跟蹤每一個(gè)光子，如果碰到漫反射表面則存儲該點(diǎn)的信息并記錄到光子圖之中，繼續(xù)追蹤光子直至該光子被吸收或者逸出場景；渲染階段就是利用前一階段得到的光子圖用于計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)所對應(yīng)的最終顏色值。

2　算法簡介

大多數(shù)全局光照算法都基于蒙特卡洛采樣構(gòu)建光線子路徑，合適的采樣方式能夠得到比較好的效果。目前大多數(shù)算法都是基于BSDF（Bidirectional Scatter Direction Function）來決定反射方向及能量值，而正因?yàn)槿绱撕雎粤斯饩€在場景中的整體分布情況從而使得找到一條有效路徑的概率降低。本文所用的算法思想是首先從光源位置發(fā)射出大量粒子，類似于光子映射的第一階段，將粒子與場景表面的交點(diǎn)信息存儲下來并將粒子作為輸入?yún)?shù)構(gòu)造GMM，當(dāng)GMM足夠復(fù)雜，便能用其估計(jì)場景中各區(qū)域的光子密度，這樣就能得到光線在場景中的一個(gè)大致分布情況。我們將以此為基礎(chǔ)來構(gòu)建光線傳輸?shù)穆窂奖隳芨痈咝У氐玫截暙I(xiàn)度較大的有效路徑。訓(xùn)練的大致過程如圖1所示。

圖1　訓(xùn)練流程

3　算法實(shí)現(xiàn)

3.1預(yù)處理階段

高斯混合模型（GMM）是由若干個(gè)高斯分布按一定的線性關(guān)系組合而成，即將事物分解為若干個(gè)基于高斯概率密度函數(shù)而形成的模型，通多對K個(gè)高斯分布模型進(jìn)行加權(quán)求和可得到高斯混合模型：

3.2計(jì)算階段的BSDF函數(shù)，通過對某點(diǎn)處的半球求積分即可得到某一點(diǎn)的出射輻射度值。這種方法在簡單的場景中還比較有效，但是在復(fù)雜的場景中如果簡單地用BSDF函數(shù)可有有些區(qū)域光線難以到達(dá)，這時(shí)就需將光能傳播方程中的fr（w）以某種概率用高斯混合模型GMM替換，即用GMM來決定該點(diǎn)的出射方向。

4　實(shí)驗(yàn)

4.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

硬件環(huán)境：處理器：Intel Xeon E31230 v3 3.30GHz四核；內(nèi)存：16.0GB；顯卡：NVIDIA GeForce GTX 980；操作系統(tǒng)：Windows 7 64bit Ultimate

編譯環(huán)境：Microsoft Visual Studio 2012

開發(fā)庫：OpenGL、Eigen、Boost156

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了按需設(shè)計(jì)各種場景，通常選用3ds Max作為主要的建模工具。這里為了體現(xiàn)本文算法的優(yōu)越性，將用3ds Max所渲染的效果圖作為參考對象來觀察各自的渲染效果。

圖2中展示的分別是光線較充足的條件下3ds Max（左）和本文算法（右）所渲染的效果圖，3D可看出左圖中的臺燈附近光照效果涂抹感嚴(yán)重，非常不自然，而右圖中光影等細(xì)節(jié)都很好地展現(xiàn)出來，更具有真實(shí)感。

圖3中展示的分別是是弱光條件下3DS Max（左）和本文算法（右）所渲染的效果圖，可看出左圖中臺燈附近所照明的墻壁上過渡很不自然，而右圖中照明區(qū)域比較柔和，更加接近現(xiàn)實(shí)的情況。

5　結(jié)語

本文探討了全局光照算法在室內(nèi)裝修設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，一個(gè)真實(shí)感較高的效果圖在方案設(shè)計(jì)、招投標(biāo)以及營銷展示等方面都有著非常重要的作用。光照效果是決定最終渲染圖的主要元素，本文利用效率較高的全局光照算法在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下有著不錯(cuò)的表現(xiàn)，但是仍然有一些缺陷：某些區(qū)域的噪點(diǎn)無法有效地抑制、參數(shù)設(shè)置不一定是最優(yōu)的等等還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。另外，全局光照的計(jì)算是一個(gè)非常耗時(shí)的過程，如何在一個(gè)可接受的時(shí)間范圍內(nèi)得到一張不錯(cuò)的效果圖也是

圖2　細(xì)節(jié)對比圖

圖3　細(xì)節(jié)對比圖

我們今后研究的重要方向。

［1］Jirí Vorba，Ondrej Karlík，Martin ?ik，Tobias Ritschel，and Jaroslav Krivánek.On-line Learning of Parametric Mixture Models for Light Transport Simulation［J］.ACM Trans.Graph，SIGGRAPH，2014.

［2］James T.Kajiya.The Rendering Equation［C］.In Proc.SIGGRAPH，1986：479-488.

［3］Henrik Wann Jensen.Global Illumination Using Photon Maps［C］.In Rendering Techniques'.Springer，1996，96：21-30.

［4］Christopher M.Bishop.Pattern Recognition and Machine Learning［M］.Springer，2006：549-559.

［5］羅卿平，邱楓.建筑渲染中全局光照技術(shù)的應(yīng)用［J］.華中建筑，2002.

Research and Application of Global Illumination Algorithm in Interior Design

HU Li-wen
（College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610065）

The results obtained from the global illumination algorithms based on the physical are faithful to reality.Path tracing and Photon mapping are popular global illumination algorithm used in computer graphics.To achieve high quality presentation image in the interior design is the most important task.Based on the existing algorithm，combines traditional algorithm with machine learning and applies it to interior design.Experiment proves that this method significantly improves the performances in the interior design.

Global Illumination；Photon Mapping；Interior Design；Machine Learning

1007-1423（2016）23-0054-03DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.23.014

胡力文（1990-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)圖形學(xué)

2016-05-20

2016-07-20