專利名稱：電影后期合成反走樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)電影繪制領(lǐng)域，尤其涉及一種電影后期合成反走樣方法。
背景技術(shù)：
光線跟蹤是一種真實(shí)地顯示物體的方法，該方法由Appel在1968年提出。光線跟蹤方法沿著到達(dá)視點(diǎn)的光線的反方向跟蹤，經(jīng)過(guò)屏幕上每一個(gè)象素，找出與視線相交的物體表面點(diǎn)PO，并繼續(xù)跟蹤，找出影響PO點(diǎn)光強(qiáng)的所有光源，從而算出PO點(diǎn)上精確的光線強(qiáng)度，在材質(zhì)編輯中經(jīng)常用來(lái)表現(xiàn)鏡面效果。光線跟蹤或稱光跡追蹤是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的核心算法之一。在算法中，光線從光源被拋射出來(lái)，當(dāng)他們經(jīng)過(guò)物體表面的時(shí)候，對(duì)他們應(yīng)用種種符合物理光學(xué)定律的變換。最終，光線進(jìn)入虛擬的攝像機(jī)底片中，圖片被生成出來(lái)。光線跟蹤(Ray tracing),又稱為光跡追蹤或光線追跡，來(lái)自于幾何光學(xué)的一項(xiàng)通用技術(shù)，它通過(guò)跟蹤與光學(xué)表面發(fā)生交互作用的光線從而得到光線經(jīng)過(guò)路徑的模型。它用于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如照相機(jī)鏡頭、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡以及雙目鏡等。這個(gè)術(shù)語(yǔ)也用于表示三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的特殊渲染算法，跟蹤從眼睛發(fā)出的光線而不是光源發(fā)出的光線，通過(guò)這樣一項(xiàng)技術(shù)生成編排好的場(chǎng)景的數(shù)學(xué)模型顯現(xiàn)出來(lái)。這樣得到的結(jié)果類似于光線投射與掃描線渲染方法的結(jié)果，但是這種方法有更好的光學(xué)效果，例如對(duì)于反射與折射有更準(zhǔn)確的模擬效果，并且效率非常高，所以當(dāng)追求這樣高質(zhì)量結(jié)果時(shí)候經(jīng)常使用這種方法。在光柵圖形顯示器上繪制非水平且非垂直的直線或多邊形邊界時(shí)，或多或少會(huì)呈現(xiàn)鋸齒狀或臺(tái)階狀外觀。這是因?yàn)橹本€、多邊形、色彩邊界等是連續(xù)的，而光柵則是由離散的點(diǎn)組成，在光柵顯示設(shè)備上表現(xiàn)直線、多邊形等，必須在離散位置采樣。由于采樣不充分重建后造成的信息失真，就叫走樣(aliasing)，而用于減少或消除這種效果的技術(shù)，就稱為反走樣(antialiasing)。反走樣的方法主要分2類:(I)增加采樣率；(2)基于屏幕空間的區(qū)域采樣平滑處理。增加采樣率的方法:提高采樣點(diǎn)的數(shù)目以達(dá)到反走樣的目的。采樣率越高，鋸齒越小，邊緣看上去越平滑?？梢院芎玫亟鉀Q走樣的問(wèn)題，但是增加采樣率會(huì)大大提高對(duì)資源的消耗。目前的硬件反走樣技術(shù)如超采樣及多重采樣均運(yùn)用這個(gè)原理，先進(jìn)行邊緣檢測(cè)，然后在邊緣處進(jìn)行超采樣，以較小的代價(jià)獲得高反走樣效果?；谄聊豢臻g的區(qū)域采樣平滑處理:主要思想是以某像素及周圍點(diǎn)的顏色來(lái)計(jì)算該像素的顏色，區(qū)域采樣方法有均勻采樣、隨機(jī)采樣等。均勻采樣模式采樣點(diǎn)空間的規(guī)則性會(huì)導(dǎo)致某種形式的走樣，隨機(jī)采樣的效果優(yōu)于均勻米樣。在電影的繪制過(guò)程中，由于繪制一幀圖像的時(shí)間很長(zhǎng)，需要進(jìn)行快速預(yù)覽繪制。由于快速繪制使用低解析度，會(huì)出現(xiàn)大量走樣現(xiàn)象。而由于分層繪制，普通全屏反走樣很難做到光線的一致性。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種電影后期合成反走樣方法，本發(fā)明采用基于面片幾何的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)幀圖像的快速預(yù)覽，并減少其走樣失真。一種電影后期合成反走樣方法，包括以下幾個(gè)步驟:I)針對(duì)每一幀中的待渲染的三維模型，使用光線跟蹤，利用光照模型以及給定的材質(zhì)信息對(duì)所述三維模型進(jìn)行渲染，得到與所述光照模型相應(yīng)的多層圖像，以及在各層圖像中三維模型所對(duì)應(yīng)的邊界；2)根據(jù)所述三維模型，獲取邊界所處的面片幾何信息；3)利用所述面片幾何信息，針對(duì)多層圖像中的每一層圖像進(jìn)行反走樣，得到反走樣后的多層圖像；4)將反走樣后的多層圖像進(jìn)行混合完成當(dāng)前幀的處理。所述的光線跟蹤(Ray tracing),又稱為光跡追蹤或光線追跡，來(lái)自于幾何光學(xué)的一項(xiàng)通用技術(shù)，它通過(guò)跟蹤與光學(xué)表面發(fā)生交互作用的光線從而得到光線經(jīng)過(guò)路徑的模型。在步驟I)中，使用光線跟對(duì)三維模型進(jìn)行渲染時(shí)，得到的分層圖像包括環(huán)境色層、漫反射層、高光層、陰影層等。作為優(yōu)選的，在所述的步驟2)中，在邊界的像素點(diǎn)上進(jìn)行超采樣，取得超采樣中有相交的面片作為邊界所處的面片。超采樣是一種反走樣技術(shù)，它在像素內(nèi)采取多個(gè)樣本，計(jì)算多個(gè)樣本的平均顏色值，超采樣使邊界由鋸齒狀變?yōu)槠交琡，例如Damera-Venkata等人提到的超采樣方法(Damera-Venkata.Niranjan, Chang.Nelson L.Display supersampling[J].ACMTransactions on Graphics, 2009，28(I):1-19.X作為優(yōu)選的，使用光線跟蹤對(duì)所述三維模型進(jìn)行渲染時(shí)，比較當(dāng)前待渲染的像素與相鄰像素的出射光線，若兩者的出射光線與三維模型相交在不同材質(zhì)區(qū)域，則認(rèn)為當(dāng)前像素處在三維模型的邊界。通過(guò)比較比較當(dāng)前待渲染的像素與相鄰像素的出射光線，若兩者的出射光線與三維模型相交在不同材質(zhì)區(qū)域，則認(rèn)為當(dāng)前像素處在三維模型的邊界，重復(fù)上述的方法，遍歷圖像中的每個(gè)像素，可以得到三維模型的邊界。作為優(yōu)選的，針對(duì)每一層圖像進(jìn)行反走樣時(shí)，計(jì)算當(dāng)前層圖像中各像素與某一面片的相交面積，得出各像素的權(quán)值，每一像素與其八連通區(qū)域的周圍像素進(jìn)行顏色混合得到混合顏色；重復(fù)上述步驟，直至遍歷與當(dāng)前像素有相交的所有面片，歷次所得到的混合顏色經(jīng)加權(quán)平均處理得到當(dāng)前像素的最終顏色。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的混合顏色的表達(dá)式為:= +
=1其中，Stl表示當(dāng)前像素與對(duì)應(yīng)面片的相交面積，C0當(dāng)前像素的顏色值，Si表示當(dāng)前像素的周圍像素與對(duì)應(yīng)面片的相交面積，Ci表不與Si對(duì)應(yīng)的周圍像素的顏色值，i表不周圍像素的序號(hào)。加權(quán)平均處理時(shí)，每次所得的混合顏色的權(quán)重為當(dāng)前像素與本次計(jì)算時(shí)涉及面片的相交面積。
本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明在現(xiàn)有電影繪制管線基礎(chǔ)上，嵌入邊緣檢測(cè)的方法，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有流程做出任何改變；2、本發(fā)明可以支持快速預(yù)覽電影的結(jié)果，并減少其走樣失真；3、本發(fā)明可以在繪制后期任意改變光源等信息，不需要重新繪制依然可以反走樣。


圖1為本發(fā)明電影后期合成反走樣方法的流程示意圖。圖2為本發(fā)明的顏色混合示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一種電影后期合成反走樣方法，包括以下幾個(gè)步驟:I)針對(duì)每一幀中的待渲染的三維模型，使用光線跟蹤，利用光照模型以及給定的材質(zhì)信息對(duì)所述三維模型進(jìn)行渲染，得到與所述光照模型相應(yīng)的多層圖像，以及在各層圖像中三維模型所對(duì)應(yīng)的邊界；在步驟I)中，使用光線跟蹤對(duì)所述三維模型進(jìn)行渲染時(shí)，得到的分層圖像包括環(huán)境色層、漫反射層、高光層、陰影層等，比較同一層圖像中單個(gè)像素與與相鄰像素的出射光線，若兩者的出射光線與三維模型相交在不同材質(zhì)區(qū)域，則認(rèn)為該層圖像中的這個(gè)像素處于三維模型的邊界，重復(fù)上述的方法，直至遍歷所有圖層，可以得到各層圖像中三維模型所對(duì)應(yīng)的邊界。

2)根據(jù)所述三維模型，獲取邊界所處的面片幾何信息；在步驟I)中得到了處于三維模型所對(duì)應(yīng)的邊界上的像素點(diǎn)，對(duì)像素點(diǎn)上進(jìn)行超采樣，取得超采樣中有相交的面片作為邊界所處的面片。超采樣是一種反走樣技術(shù)，它在像素內(nèi)采取多個(gè)樣本，計(jì)算多個(gè)樣本的平均顏色值，超采樣使邊界由鋸齒狀變?yōu)槠交?)利用所述面片幾何信息，針對(duì)多層圖像中的每一層圖像進(jìn)行反走樣，即對(duì)每層圖像邊緣進(jìn)行處理，以調(diào)整邊緣像素的鋸齒色彩，從而得到反走樣后的多層圖像；針對(duì)每一層圖像進(jìn)行反走樣時(shí)，計(jì)算當(dāng)前層圖像中各像素與某一面片的相交面積，得出各像素的權(quán)值，每一像素與其八連通區(qū)域的周圍像素進(jìn)行顏色混合得到混合顏色；假設(shè)面片與當(dāng)前像素相交面積Stl，顏色值Ctl，周圍8個(gè)像素從上到下、從左至右的相交面積(權(quán)值)分別為S1、S2, S3> S4, S5, S6, S7, S8，它們的顏色值為C1 c8。那么，最終的混合顏色為:C = C0 *(1-,.V0) + (XCi * S1) *
'=1重復(fù)上述步驟，直至遍歷與當(dāng)前像素有相交的所有面片，歷次所得到的混合顏色經(jīng)加權(quán)平均處理得到當(dāng)前像素的最終顏色，加權(quán)平均處理時(shí)，每次所得的混合顏色的權(quán)重為當(dāng)前像素與本次計(jì)算時(shí)涉及面片的相交面積。
如圖2所示，圖中的三角形表示像素，該像素位于八連通區(qū)域內(nèi)，其中:SQ=0.42 (b部分)，S2=0.05 (a 部分)，S4=0.05 (d 部分)，S6=0.18 (e 部分)，S7=0.36 (c 部分)，整塊像素的面積為I。在加權(quán)平均處理時(shí)，混合顏色的權(quán)重為每部分不同顏色的面積。4)將反走樣后的多層圖像進(jìn)行混合完成當(dāng)前幀的處理。
權(quán)利要求
1.一種電影后期合成反走樣方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟: 1)針對(duì)每一幀中的待渲染的三維模型，使用光線跟蹤，利用光照模型以及給定的材質(zhì)信息對(duì)所述三維模型進(jìn)行渲染，得到與所述光照模型相應(yīng)的多層圖像，以及在各層圖像中三維模型所對(duì)應(yīng)的邊界； 2)根據(jù)所述三維模型，獲取邊界所處的面片幾何信息； 3)利用所述面片幾何信息，針對(duì)多層圖像中的每一層圖像進(jìn)行反走樣，得到反走樣后的多層圖像； 4)將反走樣后的多層圖像進(jìn)行混合完成當(dāng)前幀的處理。
2.如權(quán)利要求1所述的電影后期合成反走樣方法，其特征在于，在所述的步驟2)中，在邊界的像素點(diǎn)上進(jìn)行超采樣，取得超采樣中有相交的面片作為邊界所處的面片。
3.如權(quán)利要求2所述的電影后期合成反走樣方法，其特征在于，使用光線跟蹤對(duì)所述三維模型進(jìn)行渲染時(shí)，比較當(dāng)前待渲染的像素與相鄰像素的出射光線，若兩者的出射光線與三維模型相交在不同材質(zhì)區(qū)域，則認(rèn)為當(dāng)前像素處在三維模型的邊界。
4.如權(quán)利要求3所述的電影后期合成反走樣方法，其特征在于，針對(duì)每一層圖像進(jìn)行反走樣時(shí)，計(jì)算當(dāng)前層圖像中各像素與某一面片的相交面積，得出各像素的權(quán)值，每一像素與其八連通區(qū)域的周圍像素進(jìn)行顏色混合得到混合顏色； 重復(fù)上述步驟，直至遍歷與當(dāng)前像素有相交的所有面片，歷次所得到的混合顏色經(jīng)加權(quán)平均處理得到當(dāng)前像素的最終顏色。
5.如權(quán)利要求4所述的電影后期合成反走樣方法，其特征在于，所述的混合顏色的表達(dá)式為: (=C0*(1-su) + (tw& i=l 其中，Stl表示當(dāng)前像素與對(duì)應(yīng)面片的相交面積，C0當(dāng)前像素的顏色值，Si表示當(dāng)前像素的周圍像素與對(duì)應(yīng)面片的相交面積，Ci表不與Si對(duì)應(yīng)的周圍像素的顏色值，i表不周圍像素的序號(hào)。
6.如權(quán)利要求5所述的電影后期合成反走樣方法，其特征在于，加權(quán)平均處理時(shí)，每次所得的混合顏色的權(quán)重為當(dāng)前像素與本次計(jì)算時(shí)涉及面片的相交面積。
7.如權(quán)利要求1所述的電影后期合成反走樣方法，其特征在于，所述的多層圖像包括環(huán)境色層、漫反射層、高光層和陰影層。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電影后期合成反走樣方法，包括以下幾個(gè)步驟1)針對(duì)每一幀中的待渲染的三維模型，使用光線跟蹤，利用光照模型以及給定的材質(zhì)信息對(duì)所述三維模型進(jìn)行渲染，得到與所述光照模型相應(yīng)的多層圖像，以及在各層圖像中三維模型所對(duì)應(yīng)的邊界；2)根據(jù)所述三維模型，獲取邊界所處的面片幾何信息；3)利用所述面片幾何信息，針對(duì)多層圖像中的每一層圖像進(jìn)行反走樣，得到反走樣后的多層圖像；4)將反走樣后的多層圖像進(jìn)行混合完成當(dāng)前幀的處理。本發(fā)明適用于電影工業(yè)繪制體系，實(shí)現(xiàn)快速繪制預(yù)覽合成影片并有效反走樣。
文檔編號(hào)G06T15/06GK103198513SQ201310109368
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者馮結(jié)青, 鮑鵬 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)