基于光線追蹤的可視性分析研究與模塊開發(fā)

陳 川，任 強，鄧金華

(中國工程物理研究院計算機應用研究所，四川 綿陽621900)

0 引言

人眼是人體的重要器官，其觀察的信息是人腦進行判決的主要依據(jù)?？梢曅苑治鍪侨藱C工效分析的重要內容，保證產品在使用、維護時具有良好的可視性是十分必要的，進行人眼可視性分析的研究具有重要的意義[1-3]。

張源濤[4]等利用CATIA 軟件的視野分析模塊對加油車進行多條件分析，確定了視野分析方法的可行性，但是其研究缺少理論分析內容。 張麗[5]等根據(jù)中國人體尺寸建立中國飛行員標準人體模型,從操作可達性、視野可視性兩個方面對無人機地面站操控臺布局進行分析和仿真。 何玢潔[6]等利用CATIA軟件對煤礦井下坑道鉆機駕駛室空間工效、可視性、舒適度進行分析，通過人體模型在駕駛室內的操作狀況分析,對駕駛室的主要部件設計提出了修改參考。 方雄兵[7]等針對維修仿真中以人眼為導向的分析方法所存在的不足，在Jack 仿真軟件的基礎上,采用Tcl/Tk 及Jackscript 語言,設計并實現(xiàn)基于維修部位導向的可視性分析功能模塊。

以上可視性分析工作均是基于CATIA 或者Jack 等主流工效分析軟件開展。 目前這類主流工效分析軟件的可視性分析內容主要集中在視野范圍定性標識與可視對象的輪廓展示，分析內容較為單一，并未進行高級的光學特性建模，未考慮光照條件、環(huán)境背景及產品自身屬性等因素造成的影響，不能實現(xiàn)因遮擋造成的陰影或反光鏡反射等高級光學效果的模擬與分析。 針對此問題，本文提出一種基于光線追蹤的可視性分析方法，研究光線的傳輸過程和表面的著色模型，建立全局光照模型，并針對CATIA 平臺，開發(fā)可視性分析組件，擴展其可視性分析功能，實現(xiàn)帶有反射與陰影效果的可視性分析與模擬。

1 全局光照渲染引擎

1.1 全局光照模型

以Lambert 模型為代表的局部光照模型僅考慮光源直接照射物體表面，而未考慮物體之間的相互影響，難以實現(xiàn)陰影、反射等高級光照效果。全局光照模型除考慮入射光源的屬性、物體本身材質屬性(即反射率、透射率和自發(fā)光強度)之外，還考慮了物體之間的相互影響(表現(xiàn)為目標與光源和背景之間的幾何關系)，能夠實現(xiàn)更好的渲染效果。

本文使用一種改進型Whitted 模型[8]作為全局光照模型，物體表面的亮度可以表示為：

其中，Vi為目標表面與光源i 的可見性因子，Vi等于1 表示目標被光源i 直射，反之處于光源i 的陰影中；表示光源i 的強度；分別表示入射光的方向與目標表面的法線，表 示 光 源 對表面的亮度受入射天頂角的影響，天頂角越小，光源對表面的入射亮度越大；r 表示目標表面的反射率；Is表示與表面出射光線對稱的方向上背景表面的亮度，其計算方式同樣遵從上式，可以通過迭代方式計算獲得；fm為表面是否為鏡面的標志，為了減少模型復雜度，認為非鏡面表面不存在因反射形成的背景倒影，即不考慮非鏡面表面的反射效果；Ie是物體本身的自發(fā)光亮度，對于非光源表面，該值為0。 在渲染系統(tǒng)中，上文所述的亮度、反射率等都一般使用三個分量的RGB 來表示。

式(1)中，通過引入目標對光源的可見性因子，可以實現(xiàn)陰影效果的模擬；通過引入與觀測位置對稱方向上背景的光照貢獻，可以實現(xiàn)鏡面反射效果的模擬。 由于應用需求側重，與經典的Whitted 模型相比，本文的光照模型一方面忽略了優(yōu)先級不高的折射現(xiàn)象，簡化了模型復雜程度；另一方面引入了自發(fā)光因素，可以實現(xiàn)光源對象的渲染。

1.2 基于光線追蹤的渲染

在全局光照模型的定義下，目標表面的亮度通過式(1)表示，難以使用解析的方法準確計算，一般采用逆向光線追蹤方法遞歸地計算其光亮度[9-10]。求解上述全局光照模型的光線追蹤算法流程如圖1所示。

圖1 光線追蹤求解全局光照模型流程圖

如圖1 所示，利用光線追蹤技術求解全局光照模型包括以下5 個步驟：

(1)主光線發(fā)射

從攝像機所在位置出發(fā)，經過成像平面內的像素點向場景內發(fā)射一條主光線。

(2)主光線與場景相交檢測

用主光線與場景中的對象一一進行相交檢測，根據(jù)最近的交點位置得到最近的目標表面；如果光線未與場景相交，則直接返回默認亮度。

(3)計算表面直射的光亮度

從交點處向光源位置發(fā)射一條陰影光線，并檢測陰影光線是否與場景相交。 如果相交則表面處于陰影處，對于該光源的可視性因子Vi=0，光源對表面的直射亮度為0；否則根據(jù)光源強度、光源方向與法線夾角和表面反射率計算直射光照強度。

(4)計算表面反射的光亮度

根據(jù)表面的特性，計算由背景發(fā)出的、經目標表面反射后進入攝像機的光亮度：

①如果該表面為非鏡面，則fm=0，該部分光亮度為0。

②如果該表面為鏡面，則根據(jù)鏡面反射定律，生成一條與主光線關于法線對稱的反射光線，遞歸地從步驟(2)開始對該反射光線進行追蹤，計算該部分反射分量的貢獻。 此處追蹤過程可能無限循環(huán)下去，可通過設置最大迭代次數(shù)n 進行限制，表示忽略經過n 次反射后進入人眼的背景亮度貢獻。

(5)計算目標表面總亮度

根據(jù)式(1)，結合表面自發(fā)光亮度，計算目標表面所有光亮度之和。

光線在場景中的傳輸過程可用圖2 描述。

圖2 逆向光線傳輸過程示意圖

上述光線追蹤過程計算的是單個像素上的亮度值，成像平面上各像素之間的光線之間互不影響，可使用并行的方式，借助GPU 強大的并行計算能力，同時向場景中發(fā)射大量的光線，并行計算整個成像平面上像素值，可極大地加快渲染過程。

從零開始進行并行的光線追蹤程序開發(fā)存在流程復雜、編程難度高等問題，可借助成熟的工具實現(xiàn)特定需求的光線追蹤應用。 OPTIX[11]是NVIDIA公司開發(fā)的一款高性能光線追蹤工具包，該工具包基于CUDA 架構，將光線追蹤過程流程化、標準化，封裝了場景劃分、CPU 與GPU 數(shù)據(jù)交換等通用功能，以Program 的形式提供接口給開發(fā)者實現(xiàn)各自不同的光線追蹤應用。

OPTIX 的編程模型分為主機端與設備端代碼。其中主機端代碼運行在CPU 中，完成參數(shù)設置、場景組織與輸入等準備工作；設備端代碼運行在GPU中，并行地實現(xiàn)光線生成、相交計算、包圍盒生成、著色計算等工作。 開發(fā)人員可通過實現(xiàn)以Program對象暴露出來的接口來實現(xiàn)應用相關的計算。 在OPTIX 中主要包含6 種接口，如表1 所示。

2 CATIA 可視性分析模塊

CATIA 的人機工程模塊實現(xiàn)了簡單的可視性分析功能， 但是未進行光照因素與表面特性的建模，因此有必要通過二次開發(fā)的方式擴展CATIA 的可視性分析功能。

組件應用架構(Component Application Architecture，CAA)是CATIA 軟件提供的一種二次開發(fā)方式，在該接口的支持下，用戶可以在VC++編程環(huán)境下與CATIA進行通信，能夠直接訪問CATIA 的圖形用戶界面、應用程序和特征數(shù)據(jù)模型。

利用CAA 對CATIA 進行二次開發(fā)，集成全局光照渲染引擎，實現(xiàn)帶有反射與陰影特性的可視性分析模塊。 利用該模塊進行可視性分析主要包括研究對象設定、光照設置、場景轉換和渲染顯示四個步驟。

2.1 對象設定

在CATIA 的圖形窗口中進行交互式的拾取，拾取對象包括待分析的虛擬人和鏡面對象兩類。 前者拾取過濾器的特征類型為SWKIManikin，并同時獲取該虛擬人眼睛所在的位置和視場角等觀測參數(shù)；后者拾取過濾器的特征類型為CATISurface，能支持不同類型的曲面。

2.2 光照設置

光照條件是可視性分析的重要影響因素，不同的光照條件會影響人的視覺工效。 光照設置的內容包括光源類型、光照顏色、光線方向/位置、光源數(shù)量等因素。 光源分為點光源和平行光源，點光源位于場景之內，具有位置屬性，而平行光源假設光源位于無限遠處，僅具有方向屬性。

表1 6 種主要的OPTIX 接口

2.3 場景轉換

CATIA 采用曲面建模技術通過曲線和曲面來定義造型，而計算機圖形學在渲染時采用多邊形模型來近似產品形狀。 因此，需要將曲面表示的CAD 模型網格化為多邊形網格模型，該任務可以由CAA 提供的網格化功能完成。 在此轉換過程中，需要同時獲取曲面的光學材質。一般情況下在CATIA 模型中不包含產品的光學屬性，可以采用顏色屬性進行近似表示。另外，需對被標為鏡面的曲面單獨處理，將其設為鏡面材質，即反射率為(1，1，1)。

2.4 渲染顯示

完成場景轉換后，CAD 設計模型以三角形網格的形式進入全局光照渲染引擎中進行著色計算，其結果以二維圖像的形式返回并顯示在窗體中。 還需要在此過程中實現(xiàn)CATIA 產品中虛擬人的狀態(tài)監(jiān)視，隨時更新渲染引擎中人眼的觀測位置和虛擬人姿態(tài)。

3 實驗驗證

本文以某汽車設計時的可視分析應用為例，驗證上述開發(fā)的可視性分析模塊對陰影、反射效果的模擬能力。

待分析汽車的CATIA 模型較為復雜，共有4 930個曲面，將其左側的反光鏡設置為鏡面，經網格化后的網格模型約有12 萬個三角面片。 開發(fā)的分析模塊運行環(huán)境為：CPU 2.6 GB×16 核、顯存8 GB。 可視性分析模塊的渲染速率達到40 幀/s，在虛擬人執(zhí)行轉頭、側身等動作時，能夠流暢地刷新可視內容，不存在卡頓或延遲，滿足可視性分析應用的需求。

分析工況為50 百分位的男性在駕駛位偏頭向左通過后視鏡觀察路況。圖3 為CATIA 自帶的可視性分析功能所得的可視內容，圖4 為本文開發(fā)的可視性分析模塊所得到的可視內容。 從圖中對比可以看出，CATIA 的可視性分析功能僅能顯示視野內物體的輪廓，而不能模擬后視鏡內的反射內容，也無陰影效果；而從本文的結果中可以看出明顯的陰影效果。 圖5 是后視鏡反射內容的特寫，從中可以看出駕駛員能夠通過后視鏡清晰地觀察到本車左側車身和后側來車。

圖3 CATIA 可視性分析功能的分析結果

圖4 本文方法的可視性分析結果

圖5 后視鏡反射特寫

從以上驗證與對比中可以看出，基于本文全局光照渲染引擎開發(fā)的可視性分析模塊相較于CATIA軟件內置的可視性分析功能，很好地模擬了鏡面反射和陰影現(xiàn)象，可用于諸如反光鏡、陰影區(qū)與非陰影區(qū)對比等高級視覺特性的分析工作。

4 結論

針對CATIA 軟件的可視性分析功能薄弱這一問題， 本文提出了基于光線追蹤的可視性分析方法，建立了全局光照模型，以此模型開發(fā)了一套渲染引擎，并在CATIA 平臺下通過二次開發(fā)方式實現(xiàn)了一套可視性分析模塊，用戶僅需經過選擇分析對象、設置光照條件等操作，便能實現(xiàn)帶有陰影和反射兩種高級光學效果的可視性分析與模擬。 通過對某型汽車駕駛員的可視性分析為例進行驗證，體現(xiàn)了該分析模塊在反光效果、陰影效果模擬兩方面的準確性，一定程度上拓展了CATIA 可視性工效分析的能力，具有較好的實用性。

本文所使用的全局光照模型還是較為簡單，它僅考慮了對稱方向上的背景對目標表面點的光亮度貢獻，因而它僅能模擬理想的鏡面反射效果。 后續(xù)工作中應考慮目標表面半球空間內所有背景對該表面的亮度影響，實現(xiàn)真正的“全局光照”；另外，在光照模型中忽略了折射(透射)現(xiàn)象，不能實現(xiàn)諸如擋風玻璃這一類的透明物體可視性分析，后續(xù)工作應考慮增加該項特性。