CN103198513B - 电影后期合成反走样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电影后期合成反走样方法，包括以下几个步骤：1）针对每一帧中的待渲染的三维模型，使用光线跟踪，利用光照模型以及给定的材质信息对所述三维模型进行渲染，得到与所述光照模型相应的多层图像，以及在各层图像中三维模型所对应的边界；2）根据所述三维模型，获取边界所处的面片几何信息；3)利用所述面片几何信息，针对多层图像中的每一层图像进行反走样，得到反走样后的多层图像；4）将反走样后的多层图像进行混合完成当前帧的处理。本发明适用于电影工业绘制体系，实现快速绘制预览合成影片并有效反走样。

Description

电影后期合成反走样方法

技术领域

本发明涉及计算机电影绘制领域，尤其涉及一种电影后期合成反走样方法。

背景技术

光线跟踪是一种真实地显示物体的方法，该方法由Appel在1968年提出。光线跟踪方法沿着到达视点的光线的反方向跟踪，经过屏幕上每一个象素，找出与视线相交的物体表面点P0，并继续跟踪，找出影响P0点光强的所有光源，从而算出P0点上精确的光线强度，在材质编辑中经常用来表现镜面效果。光线跟踪或称光迹追踪是计算机图形学的核心算法之一。在算法中，光线从光源被抛射出来，当他们经过物体表面的时候，对他们应用种种符合物理光学定律的变换。最终，光线进入虚拟的摄像机底片中，图片被生成出来。

光线跟踪（Raytracing），又称为光迹追踪或光线追迹，来自于几何光学的一项通用技术，它通过跟踪与光学表面发生交互作用的光线从而得到光线经过路径的模型。它用于光学***设计，如照相机镜头、显微镜、望远镜以及双目镜等。这个术语也用于表示三维计算机图形学中的特殊渲染算法，跟踪从眼睛发出的光线而不是光源发出的光线，通过这样一项技术生成编排好的场景的数学模型显现出来。这样得到的结果类似于光线投射与扫描线渲染方法的结果，但是这种方法有更好的光学效果，例如对于反射与折射有更准确的模拟效果，并且效率非常高，所以当追求这样高质量结果时候经常使用这种方法。

在光栅图形显示器上绘制非水平且非垂直的直线或多边形边界时，或多或少会呈现锯齿状或台阶状外观。这是因为直线、多边形、色彩边界等是连续的，而光栅则是由离散的点组成，在光栅显示设备上表现直线、多边形等，必须在离散位置采样。由于采样不充分重建后造成的信息失真，就叫走样（aliasing），而用于减少或消除这种效果的技术，就称为反走样(antialiasing)。

反走样的方法主要分2类：（1）增加采样率；（2）基于屏幕空间的区域采样平滑处理。增加采样率的方法：提高采样点的数目以达到反走样的目的。采样率越高，锯齿越小，边缘看上去越平滑。可以很好地解决走样的问题，但是增加采样率会大大提高对资源的消耗。目前的硬件反走样技术如超采样及多重采样均运用这个原理，先进行边缘检测，然后在边缘处进行超采样，以较小的代价获得高反走样效果。基于屏幕空间的区域采样平滑处理：主要思想是以某像素及周围点的颜色来计算该像素的颜色，区域采样方法有均匀采样、随机采样等。均匀采样模式采样点空间的规则性会导致某种形式的走样，随机采样的效果优于均匀采样。

在电影的绘制过程中，由于绘制一帧图像的时间很长，需要进行快速预览绘制。由于快速绘制使用低解析度，会出现大量走样现象。而由于分层绘制，普通全屏反走样很难做到光线的一致性。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种电影后期合成反走样方法，本发明采用基于面片几何的计算方法，实现帧图像的快速预览，并减少其走样失真。

一种电影后期合成反走样方法，包括以下几个步骤：

1）针对每一帧中的待渲染的三维模型，使用光线跟踪，利用光照模型以及给定的材质信息对所述三维模型进行渲染，得到与所述光照模型相应的多层图像，以及在各层图像中三维模型所对应的边界；

2）根据所述三维模型，获取边界所处的面片几何信息；

3)利用所述面片几何信息，针对多层图像中的每一层图像进行反走样，得到反走样后的多层图像；

4）将反走样后的多层图像进行混合完成当前帧的处理。

所述的光线跟踪（Raytracing），又称为光迹追踪或光线追迹，来自于几何光学的一项通用技术，它通过跟踪与光学表面发生交互作用的光线从而得到光线经过路径的模型。

在步骤1）中，使用光线跟对三维模型进行渲染时，得到的分层图像包括环境色层、漫反射层、高光层、阴影层等。

作为优选的，在所述的步骤2）中，在边界的像素点上进行超采样，取得超采样中有相交的面片作为边界所处的面片。

超采样是一种反走样技术，它在像素内采取多个样本，计算多个样本的平均颜色值，超采样使边界由锯齿状变为平滑，例如Damera-Venkata等人提到的超采样方法（Damera-Venkata.Niranjan,Chang.NelsonL.Displaysupersampling[J].ACMTransactionsonGraphics,2009,28(1):1-19.）。

作为优选的，使用光线跟踪对所述三维模型进行渲染时，比较当前待渲染的像素与相邻像素的出射光线，若两者的出射光线与三维模型相交在不同材质区域，则认为当前像素处在三维模型的边界。

通过比较比较当前待渲染的像素与相邻像素的出射光线，若两者的出射光线与三维模型相交在不同材质区域，则认为当前像素处在三维模型的边界，重复上述的方法，遍历图像中的每个像素，可以得到三维模型的边界。

作为优选的，针对每一层图像进行反走样时，计算当前层图像中各像素与某一面片的相交面积，得出各像素的权值，每一像素与其八连通区域的周围像素进行颜色混合得到混合颜色；

重复上述步骤，直至遍历与当前像素有相交的所有面片，历次所得到的混合颜色经加权平均处理得到当前像素的最终颜色。

进一步优选的，所述的混合颜色的表达式为：

$C=C_0*(1-S_0)+(\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i*S_i)*S_0$

其中，S₀表示当前像素与对应面片的相交面积，C₀当前像素的颜色值，S_i表示当前像素的周围像素与对应面片的相交面积，C_i表示与S_i对应的周围像素的颜色值，i表示周围像素的序号。

加权平均处理时，每次所得的混合颜色的权重为当前像素与本次计算时涉及面片的相交面积。

本发明具有下述优点：

1、本发明在现有电影绘制管线基础上，嵌入边缘检测的方法，不会对现有流程做出任何改变；

2、本发明可以支持快速预览电影的结果，并减少其走样失真；

3、本发明可以在绘制后期任意改变光源等信息，不需要重新绘制依然可以反走样。

附图说明

图1为本发明电影后期合成反走样方法的流程示意图。

图2为本发明的颜色混合示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种电影后期合成反走样方法，包括以下几个步骤：

1）针对每一帧中的待渲染的三维模型，使用光线跟踪，利用光照模型以及给定的材质信息对所述三维模型进行渲染，得到与所述光照模型相应的多层图像，以及在各层图像中三维模型所对应的边界；

在步骤1）中，使用光线跟踪对所述三维模型进行渲染时，得到的分层图像包括环境色层、漫反射层、高光层、阴影层等，比较同一层图像中单个像素与与相邻像素的出射光线，若两者的出射光线与三维模型相交在不同材质区域，则认为该层图像中的这个像素处于三维模型的边界，重复上述的方法，直至遍历所有图层，可以得到各层图像中三维模型所对应的边界。

2）根据所述三维模型，获取边界所处的面片几何信息；

在步骤1）中得到了处于三维模型所对应的边界上的像素点，对像素点上进行超采样，取得超采样中有相交的面片作为边界所处的面片。

超采样是一种反走样技术，它在像素内采取多个样本，计算多个样本的平均颜色值，超采样使边界由锯齿状变为平滑。

3)利用所述面片几何信息，针对多层图像中的每一层图像进行反走样，即对每层图像边缘进行处理，以调整边缘像素的锯齿色彩，从而得到反走样后的多层图像；

针对每一层图像进行反走样时，计算当前层图像中各像素与某一面片的相交面积，得出各像素的权值，每一像素与其八连通区域的周围像素进行颜色混合得到混合颜色；

假设面片与当前像素相交面积S₀，颜色值C₀，周围8个像素从上到下、从左至右的相交面积（权值）分别为S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈，它们的颜色值为C₁～C₈。那么，最终的混合颜色为：

$C=C_0*(1-S_0)+(\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i*S_i)*S_0$

重复上述步骤，直至遍历与当前像素有相交的所有面片，历次所得到的混合颜色经加权平均处理得到当前像素的最终颜色，加权平均处理时，每次所得的混合颜色的权重为当前像素与本次计算时涉及面片的相交面积。

如图2所示，图中的三角形表示像素，该像素位于八连通区域内，其中：S₀=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），整块像素的面积为1。在加权平均处理时，混合颜色的权重为每部分不同颜色的面积。

4）将反走样后的多层图像进行混合完成当前帧的处理。

Claims (4)

1.一种电影后期合成反走样方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

1)针对每一帧中的待渲染的三维模型，使用光线跟踪，利用光照模型以及给定的材质信息对所述三维模型进行渲染，得到与所述光照模型相应的多层图像，以及在各层图像中三维模型所对应的边界；

所述的多层图像包括环境色层、漫反射层、高光层和阴影层；

2)根据所述三维模型，获取边界所处的面片几何信息；

3)利用所述面片几何信息，针对多层图像中的每一层图像进行反走样，得到反走样后的多层图像；

针对每一层图像进行反走样时，计算当前层图像中各像素与某一面片的相交面积，得出各像素的权值，每一像素与其八连通区域的周围像素进行颜色混合得到混合颜色；

所述的混合颜色的表达式为：

$C=C_0\·(1-S_0)+(\underset{i=1}{\overset{8}{\Σ}}{C}_i\·S_i)\·S_0$

其中，S₀表示当前像素与对应面片的相交面积，C₀表示当前像素的颜色值，S_i表示当前像素的周围像素与对应面片的相交面积，C_i表示与S_i对应的周围像素的颜色值，i表示周围像素的序号，C为混合颜色的像素；

重复上述步骤，直至遍历与当前像素有相交的所有面片，历次所得到的混合颜色经加权平均处理得到当前像素的最终颜色；

4)将反走样后的多层图像进行混合完成当前帧的处理。

2.如权利要求1所述的电影后期合成反走样方法，其特征在于，在所述的步骤2)中，在边界的像素点上进行超采样，取得超采样中有相交的面片作为边界所处的面片。

3.如权利要求2所述的电影后期合成反走样方法，其特征在于，使用光线跟踪对所述三维模型进行渲染时，比较当前待渲染的像素与相邻像素的出射光线，若两者的出射光线与三维模型相交在不同材质区域，则认为当前像素处在三维模型的边界。

4.如权利要求1所述的电影后期合成反走样方法，其特征在于，加权平均处理时，每次所得的混合颜色的权重为当前像素与本次计算时涉及面片的相交面积。