基于3D場景渲染的視覺顯著性驅(qū)動(dòng)間接光照復(fù)用算法

呂柏松

(武漢市第一職業(yè)教育中心 湖北 武漢 430034)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,3D場景渲染在該領(lǐng)域備受關(guān)注。然而,渲染復(fù)雜場景需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源和時(shí)間,使得實(shí)時(shí)渲染成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。同時(shí),渲染場景的質(zhì)量也是渲染技術(shù)發(fā)展的重要方向。在3D場景渲染中,間接光照算法是影響渲染速度和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。本文提出了一種基于視覺顯著性驅(qū)動(dòng)的間接光照復(fù)用算法,旨在提高3D場景渲染的速度和質(zhì)量,介紹了該算法的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),包括視覺顯著性模型構(gòu)建、基于顯著性的間接光照采樣策略、光照復(fù)用技術(shù)與優(yōu)化等方面。該算法具有廣泛的應(yīng)用前景,包括實(shí)時(shí)渲染場景應(yīng)用、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用、動(dòng)畫與電影制作應(yīng)用以及其他潛在應(yīng)用。

1 基本概念和理論

1.1 3D場景渲染概述

3D場景渲染將三維場景轉(zhuǎn)換為二維圖像,包括幾何處理、著色、光照、陰影和渲染輸出等步驟。幾何處理將物體轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);著色將屬性轉(zhuǎn)化為像素顏色值;光照模擬對(duì)物體的影響;陰影模擬光線遮擋和透明效果產(chǎn)生的陰影;渲染輸出生成二維圖像。渲染需要考慮光照、材質(zhì)、陰影等因素,以及反射、折射、透明等,采用復(fù)雜的算法和模型,如Phong模型、 雙向反射分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)模型和陰影映射。為了提高渲染速度,可以使用層次遍歷、多線程渲染、圖形處理器(graphics processing unit,GPU)加速等技術(shù)。但渲染速度和質(zhì)量需要權(quán)衡,應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇適當(dāng)?shù)乃惴ê图夹g(shù)實(shí)現(xiàn)渲染[1]。

1.2 視覺顯著性的定義與度量

視覺顯著性是指人眼在觀看圖像時(shí)所關(guān)注的重要區(qū)域,即在整幅圖像中引起人眼注意的部分。視覺顯著性度量的目的是定量描述人眼的視覺注意行為,通過計(jì)算圖像的視覺顯著性來預(yù)測人眼的注意行為。視覺顯著性的度量方法主要分為基于生物學(xué)的和基于計(jì)算機(jī)視覺的兩類。常見的視覺顯著性度量方法包括像素級(jí)和區(qū)域級(jí)兩種。視覺顯著性度量的應(yīng)用廣泛,如圖像檢索、目標(biāo)跟蹤、圖像分割、人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域。在3D場景渲染中,基于視覺顯著性的算法可以提高渲染速度的同時(shí)保證渲染質(zhì)量,是一種有效的渲染優(yōu)化方法。

1.3 間接光照算法

在3D場景渲染中,間接光照是光線在物體內(nèi)部反射、折射等過程后再次射向物體表面產(chǎn)生的光照效果。間接光照算法有兩種類型:全局照明算法和局部照明算法。全局照明算法雖能夠計(jì)算出逼真的光照效果,但計(jì)算量大,不適合實(shí)時(shí)渲染;局部照明算法速度快,適合實(shí)時(shí)渲染?；谏疃葘W(xué)習(xí)的算法也得到廣泛關(guān)注,通過學(xué)習(xí)物體表面光照效果提高了渲染效率。為提高渲染質(zhì)量和速度,需結(jié)合光照復(fù)用技術(shù)、視覺顯著性和多級(jí)細(xì)化等技術(shù)優(yōu)化算法。這些算法應(yīng)用廣泛,如在游戲、電影制作、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。

2 視覺顯著性驅(qū)動(dòng)間接光照復(fù)用算法設(shè)計(jì)

2.1 視覺顯著性模型構(gòu)建

視覺顯著性模型是一種用來描述人眼在觀察圖像時(shí)對(duì)其中哪些部分更加關(guān)注的數(shù)學(xué)模型。構(gòu)建視覺顯著性模型的過程通常分為數(shù)據(jù)采集和模型構(gòu)建:

①數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集是指通過實(shí)驗(yàn)或者調(diào)查收集人眼在觀察圖像時(shí)的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。眼動(dòng)數(shù)據(jù)記錄了人眼在觀察過程中的注視位置和注視持續(xù)時(shí)間等信息,這些數(shù)據(jù)可以反映人眼在觀察圖像時(shí)對(duì)其中哪些部分更加關(guān)注。數(shù)據(jù)采集通常需要使用專業(yè)的設(shè)備和軟件,如眼動(dòng)儀和數(shù)據(jù)分析工具。

②模型構(gòu)建。模型構(gòu)建是指根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果構(gòu)建視覺顯著性模型。常用的模型構(gòu)建方法包括基于特征的模型、基于統(tǒng)計(jì)的模型和基于深度學(xué)習(xí)的模型等。其中基于特征的模型是將圖像中的低級(jí)特征(如顏色、紋理、對(duì)比度等)與眼動(dòng)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián),通過統(tǒng)計(jì)分析構(gòu)建模型?；诮y(tǒng)計(jì)的模型則是采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法將眼動(dòng)數(shù)據(jù)和圖像特征進(jìn)行訓(xùn)練,從而構(gòu)建模型。而基于深度學(xué)習(xí)的模型則是利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像和眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,以構(gòu)建更加精確的模型。

在視覺顯著性驅(qū)動(dòng)的間接光照復(fù)用算法中,需要構(gòu)建一個(gè)適合于渲染的視覺顯著性模型。一般來說,這種模型需要具有以下幾個(gè)特點(diǎn):能夠反映人眼在觀察場景時(shí)的注意力分布;能夠捕捉到場景中重要的光照信息;能夠與間接光照計(jì)算結(jié)合使用。因此,需要根據(jù)算法的具體需求,選擇合適的數(shù)據(jù)采集和模型構(gòu)建方法,構(gòu)建適合于該算法的視覺顯著性模型[2]。

2.2 基于顯著性的間接光照采樣策略

基于視覺顯著性的間接光照復(fù)用算法是一種有效提高渲染速度和質(zhì)量的算法。其中,基于顯著性的間接光照采樣策略是算法的關(guān)鍵部分之一。

傳統(tǒng)的間接光照計(jì)算通常需要對(duì)整個(gè)場景進(jìn)行遍歷,計(jì)算復(fù)雜度較高。而基于視覺顯著性的間接光照復(fù)用算法則將計(jì)算重點(diǎn)放在了視覺顯著性較高的區(qū)域上,減少了計(jì)算量,提高了渲染速度?；陲@著性的間接光照采樣策略分為兩個(gè)步驟:顯著性分析和采樣策略。首先對(duì)場景中的物體進(jìn)行顯著性分析,將物體劃分為顯著性高和低的兩類?？梢允褂矛F(xiàn)有的視覺顯著性模型進(jìn)行計(jì)算,也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行調(diào)整。然后在采樣策略中,對(duì)于顯著性低的區(qū)域,直接進(jìn)行傳統(tǒng)的間接光照計(jì)算。對(duì)于顯著性高的區(qū)域,則采用光照復(fù)用技術(shù),將這些區(qū)域的間接光照信息保存下來,并在后續(xù)渲染過程中進(jìn)行重復(fù)利用。具體采用一些復(fù)用技術(shù),如紋理復(fù)制或多層表面復(fù)用等,來提高光照計(jì)算效率。

2.3 光照復(fù)用技術(shù)與優(yōu)化

光照復(fù)用技術(shù)是一種提高間接光照計(jì)算效率的方法,其基本思想是將已經(jīng)計(jì)算過的光照信息保存下來,供后續(xù)使用。在本算法中,將光照?qǐng)鼍胺纸鉃槎鄠€(gè)較小的區(qū)域,稱為“光照區(qū)域”,然后計(jì)算每個(gè)光照區(qū)域的光照信息。之后使用視覺顯著性模型來確定哪些光照區(qū)域?qū)Ξ?dāng)前視角的場景渲染最為重要,并優(yōu)先計(jì)算這些區(qū)域的間接光照。同時(shí)采用基于顯著性的采樣策略來進(jìn)一步減少計(jì)算量。

人們使用了基于光通量的光照復(fù)用技術(shù),該技術(shù)能夠準(zhǔn)確地模擬場景中的光照效果。在計(jì)算每個(gè)光照區(qū)域的光照信息時(shí),使用光線追蹤技術(shù)來模擬間接光照的反射、折射等過程。將每個(gè)光照區(qū)域的光照信息保存在光照區(qū)域中,并使用光照區(qū)域的中心點(diǎn)來代表該區(qū)域的光照信息。在后續(xù)的場景渲染中,人們使用視覺顯著性模型來確定哪些光照區(qū)域?qū)Ξ?dāng)前視角最為重要,然后根據(jù)采樣策略來選擇需要計(jì)算間接光照的光照區(qū)域[3]。在采樣策略中,人們使用基于顯著性的采樣策略來減少計(jì)算量,具體而言,人們只計(jì)算那些視覺顯著性較高的光照區(qū)域的間接光照信息,并使用光照復(fù)用技術(shù)來將這些信息應(yīng)用到整個(gè)場景中。

為了進(jìn)一步優(yōu)化算法的效率,采用了一些技術(shù)來加速光照計(jì)算。例如,使用GPU來加速光線追蹤和光通量計(jì)算等過程,使用多級(jí)細(xì)化技術(shù)來加速場景渲染過程,以及使用層次遍歷技術(shù)來優(yōu)化光照區(qū)域的劃分。這些技術(shù)的結(jié)合使得算法能夠高效地計(jì)算出高質(zhì)量的場景渲染結(jié)果。

2.4 算法流程概述

該算法使用視覺顯著性驅(qū)動(dòng)的間接光照復(fù)用技術(shù)來提高3D場景渲染的速度和質(zhì)量。首先通過構(gòu)建視覺顯著性模型,可以計(jì)算出場景中各部分的顯著性權(quán)值。然后利用這些權(quán)值,采用基于顯著性的間接光照采樣策略,選擇一些具有顯著性的點(diǎn)進(jìn)行光照計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果保存在光照復(fù)用緩存中,以供后續(xù)使用。最后通過光照復(fù)用技術(shù),將計(jì)算結(jié)果復(fù)用到其他的場景中,以減少計(jì)算量并提高渲染速度。

具體算法流程分為三個(gè)步驟。第一步是預(yù)處理階段,在該階段中,需要對(duì)場景中的物體進(jìn)行網(wǎng)格化處理,構(gòu)建視覺顯著性模型,計(jì)算出各部分的顯著性權(quán)值,并對(duì)場景中的點(diǎn)進(jìn)行采樣;第二步是計(jì)算階段,通過基于顯著性的間接光照采樣策略,選擇一些具有顯著性的點(diǎn)進(jìn)行光照計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果保存在光照復(fù)用緩存中;第三步是渲染階段,通過光照復(fù)用技術(shù),將之前計(jì)算得到的光照結(jié)果復(fù)用到其他的場景中,以提高渲染速度和質(zhì)量。

3 實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

在實(shí)現(xiàn)視覺顯著性驅(qū)動(dòng)的間接光照復(fù)用算法時(shí),需要考慮許多細(xì)節(jié)。以下是一些關(guān)鍵的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)如下:

(1)3D場景數(shù)據(jù)處理。需要將3D場景數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括網(wǎng)格化處理、場景分割和采樣等。網(wǎng)格化處理將3D模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的三角網(wǎng)格形式,場景分割將場景劃分為不同的顯著性區(qū)域,采樣則是選擇一些具有顯著性的點(diǎn)進(jìn)行光照計(jì)算。

(2)視覺顯著性模型構(gòu)建。需要選擇合適的視覺顯著性模型,例如基于圖像特征的模型、基于深度學(xué)習(xí)的模型等,并根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行訓(xùn)練和調(diào)參。

(3)光照計(jì)算。需要選擇合適的光照計(jì)算方法,例如路徑追蹤、輻射傳輸?shù)?并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化,如采用并行計(jì)算、GPU加速等技術(shù),以提高計(jì)算速度。

(4)光照復(fù)用。需要設(shè)計(jì)合適的光照復(fù)用策略,如光照緩存的存儲(chǔ)和管理等,并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化,如采用空間索引等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以提高光照復(fù)用效率。

(5)渲染輸出。需要將渲染得到的圖像輸出到屏幕或者存儲(chǔ)介質(zhì)上,并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化,如壓縮、多級(jí)細(xì)化等。

(6)用戶交互。需要設(shè)計(jì)合適的用戶交互方式,例如視角控制、光源位置調(diào)整等,以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

在實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)時(shí),需要綜合考慮渲染速度和渲染質(zhì)量之間的平衡,并根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。

3.2 性能優(yōu)化策略

在3D場景渲染中,提高渲染速度是一個(gè)重要的問題。為了優(yōu)化性能,可以采用以下策略:

(1)算法優(yōu)化。通過改進(jìn)算法,減少計(jì)算量,提高渲染速度。例如,使用基于顯著性的間接光照采樣策略來選擇計(jì)算點(diǎn),使用光照復(fù)用技術(shù)來減少計(jì)算量等。

(2)并行計(jì)算。利用多線程或分布式計(jì)算技術(shù),將渲染任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)并行處理,提高渲染速度。例如,在CPU上使用多線程或GPU加速,在集群中使用分布式計(jì)算。

(3)硬件優(yōu)化。通過選擇高性能的硬件設(shè)備,提高計(jì)算速度。例如,使用高性能CPU、GPU或?qū)Ｓ玫募铀倏ǖ取?/p>

(4)數(shù)據(jù)優(yōu)化。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式,提高數(shù)據(jù)訪問速度和渲染速度。例如,使用更高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示場景中的物體,使用壓縮算法來減小數(shù)據(jù)量等。

(5)級(jí)別優(yōu)化。通過在不同級(jí)別上進(jìn)行渲染優(yōu)化,提高渲染速度和質(zhì)量。例如,在較遠(yuǎn)距離使用低分辨率的模型,在較近距離使用高分辨率的模型,或者使用多級(jí)細(xì)化技術(shù)等。

以上是提高3D場景渲染速度的一些常見策略,實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體場景和需求進(jìn)行選擇和優(yōu)化。

3.3 硬件加速方法

硬件加速方法是提高3D場景渲染性能的重要手段之一。目前,主要采用的硬件加速方法是圖形處理器加速和專用硬件加速。

(1)圖形處理器加速可以利用GPU并行計(jì)算的能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)渲染過程中的大量計(jì)算的加速。在GPU加速中,通常采用的技術(shù)包括OpenGL和DirectX等。其中OpenGL是一種跨平臺(tái)的圖形應(yīng)用程序編程接口(application programming interface,API),可以實(shí)現(xiàn)3D場景渲染;而DirectX是微軟開發(fā)的一種專門用于Windows平臺(tái)的圖形API,也可以實(shí)現(xiàn)3D場景渲染[4]。

(2)專用硬件加速則是指采用專門設(shè)計(jì)的硬件來加速渲染過程。其中,最常見的是GPU,它是一種專門用于加速圖形渲染的硬件,具有高并行計(jì)算能力、大規(guī)模存儲(chǔ)容量和高速傳輸速度等優(yōu)點(diǎn)。此外,還有一些專用的加速卡,如光線追蹤加速卡和深度學(xué)習(xí)加速卡等。

除了GPU和專用硬件加速外,還可以采用一些其他的性能優(yōu)化方法來提高渲染速度,例如多級(jí)細(xì)化、自適應(yīng)采樣和層次遍歷等技術(shù)。其中:多級(jí)細(xì)化是一種將場景分成多個(gè)層次,并對(duì)不同層次的場景采用不同的渲染方法的技術(shù);自適應(yīng)采樣是一種根據(jù)像素區(qū)域的復(fù)雜度自適應(yīng)調(diào)整采樣率的技術(shù);而層次遍歷則是一種針對(duì)三角形網(wǎng)格的遍歷方法,可以大大減少不必要的計(jì)算量。

4 應(yīng)用與拓展

4.1 虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality,AR)是兩個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域,而基于視覺顯著性驅(qū)動(dòng)的間接光照復(fù)用算法可以在這些領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在VR應(yīng)用中,該算法可以實(shí)現(xiàn)更加逼真的場景渲染,為用戶提供更加真實(shí)的體驗(yàn)。例如,在VR游戲中,通過該算法可以實(shí)現(xiàn)更加逼真的光照效果,提高游戲的沉浸感和真實(shí)感。

在AR應(yīng)用中,該算法可以實(shí)現(xiàn)更加高效的渲染和交互。例如,在AR應(yīng)用中,通過該算法可以實(shí)現(xiàn)更加快速的場景渲染,提高應(yīng)用的交互性和響應(yīng)速度。此外,通過視覺顯著性模型,可以識(shí)別用戶感興趣的物體或區(qū)域,并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)先渲染,從而提高用戶體驗(yàn)。

在VR和AR應(yīng)用中,還可以通過硬件加速技術(shù)來進(jìn)一步提高算法的性能。例如,利用GPU加速可以大幅提高渲染速度和質(zhì)量。同時(shí),還可以采用多級(jí)細(xì)化技術(shù)、分布式計(jì)算等策略來優(yōu)化算法,滿足虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中對(duì)實(shí)時(shí)性和性能的要求[5]。

4.2 動(dòng)畫與電影制作應(yīng)用

在動(dòng)畫和電影制作中,3D場景渲染和光照計(jì)算是非常重要的步驟。傳統(tǒng)的光照計(jì)算方法往往需要大量的計(jì)算資源和時(shí)間,而基于視覺顯著性驅(qū)動(dòng)的間接光照復(fù)用算法可以顯著提高渲染速度和質(zhì)量,為動(dòng)畫和電影制作提供了更多的可能性。通過使用該算法,動(dòng)畫和電影制作人員可以更加精確地模擬場景中的光照效果,從而獲得更加逼真的效果。此外,該算法還可以提高渲染速度,使得制作人員可以更快地進(jìn)行預(yù)覽和迭代。

在動(dòng)畫和電影制作中,該算法的應(yīng)用可以進(jìn)一步拓展到多個(gè)方面。例如,在場景構(gòu)建中,可以利用視覺顯著性模型來幫助制作人員優(yōu)化場景布局和元素選擇。在后期制作中,也可以使用該算法來進(jìn)行光照調(diào)整和渲染優(yōu)化,從而獲得更好的制作效果。

5 結(jié)語

綜上所述,本文介紹了視覺顯著性驅(qū)動(dòng)的間接光照復(fù)用算法在3D場景渲染中的應(yīng)用。該算法通過構(gòu)建視覺顯著性模型,基于顯著性的間接光照采樣策略和光照復(fù)用技術(shù),提高了渲染速度和質(zhì)量。同時(shí)本文還介紹了該算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)、性能優(yōu)化策略和硬件加速方法。該算法在實(shí)時(shí)渲染場景、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、動(dòng)畫和電影制作等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。未來,隨著計(jì)算機(jī)硬件和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展,該算法將會(huì)有更廣泛的拓展和應(yīng)用。