全局光照算法在室内设计中的研究及应用

胡力文

（四川大学计算机学院，成都610065）

全局光照算法在室内设计中的研究及应用

胡力文

（四川大学计算机学院，成都610065）

基于物理特性的全局光照算法所得到的效果图有着较高的真实度。路径跟踪和光子映射是两个基于物理特性且比较有影响的两个算法，后续有一些列算法均是它们演化而来。室内设计中一个很重要的目的就是得到一张具有较高真实度的渲染图，一个良好的灯光效果能够增加图片的层次感和真实度，基于现有的算法基础之上，将传统的全局光照算法和机器学习的方法有机地结合起来并合理地运用到室内设计领域。实验证明该方法能够处理多大多数的环境之中并且取得不错的效果。

全局光照；光子映射；室内设计；机器学习

0　引言

近年来随着人们生活水平的提高，对所需选购的家居设备要求也越来越高，这就给家居设计厂商带来了较大的挑战。一方面需要快速地设计并生成不同风格的装修样式，另一方面需要生成较接近真实效果的渲染图。当前业界内普遍使用3ds Max来对室内物品进行建模及格局设计，并最终通过相关插件渲染出最后的效果图。随着设计需求的多样化以及室内场景的复杂化，3ds Max的局限性逐渐凸显，使得在室内场景布局比较复杂以及光线比较昏暗的条件下难以满足实际应用的需求。全局光照算法一直是计算机图形学中研究的重要领域，经典的路径跟踪及光子映射后衍生出一系列高效的算法，本文针对室内设计这一特殊需求下，利用现有技术来解决或满足不同用户的需求。

1　相关工作

全局光照算发表现了直接光照和间接光照的综合效果，很好地解决了物体间的相互反射问题。Kajiya［2］于1986年提出了光照渲染方程和路径跟踪算法，奠定了后续一系列算法的理论基础；在基于物理特性的全局光照领域，除了路径跟踪系列算法，还有一类比较经典的光子映射算法，光子映射最早由Jensen［3］引入，对比与路径跟踪，光子映射是一类有偏的算法，其主要分为构造光子图和利用光子图进行渲染两个阶段：开始由光源位置向场景中发射大量光子，然后用类似于路径跟踪的方法跟踪每一个光子，如果碰到漫反射表面则存储该点的信息并记录到光子图之中，继续追踪光子直至该光子被吸收或者逸出场景；渲染阶段就是利用前一阶段得到的光子图用于计算每个像素点所对应的最终颜色值。

2　算法简介

大多数全局光照算法都基于蒙特卡洛采样构建光线子路径，合适的采样方式能够得到比较好的效果。目前大多数算法都是基于BSDF（Bidirectional Scatter Direction Function）来决定反射方向及能量值，而正因为如此忽略了光线在场景中的整体分布情况从而使得找到一条有效路径的概率降低。本文所用的算法思想是首先从光源位置发射出大量粒子，类似于光子映射的第一阶段，将粒子与场景表面的交点信息存储下来并将粒子作为输入参数构造GMM，当GMM足够复杂，便能用其估计场景中各区域的光子密度，这样就能得到光线在场景中的一个大致分布情况。我们将以此为基础来构建光线传输的路径便能更加高效地得到贡献度较大的有效路径。训练的大致过程如图1所示。

图1　训练流程

3　算法实现

3.1预处理阶段

高斯混合模型（GMM）是由若干个高斯分布按一定的线性关系组合而成，即将事物分解为若干个基于高斯概率密度函数而形成的模型，通多对K个高斯分布模型进行加权求和可得到高斯混合模型：

3.2计算阶段的BSDF函数，通过对某点处的半球求积分即可得到某一点的出射辐射度值。这种方法在简单的场景中还比较有效，但是在复杂的场景中如果简单地用BSDF函数可有有些区域光线难以到达，这时就需将光能传播方程中的fr（w）以某种概率用高斯混合模型GMM替换，即用GMM来决定该点的出射方向。

4　实验

4.1实验环境

硬件环境：处理器：Intel Xeon E31230 v3 3.30GHz四核；内存：16.0GB；显卡：NVIDIA GeForce GTX 980；操作系统：Windows 7 64bit Ultimate

编译环境：Microsoft Visual Studio 2012

开发库：OpenGL、Eigen、Boost156

4.2实验结果

为了按需设计各种场景，通常选用3ds Max作为主要的建模工具。这里为了体现本文算法的优越性，将用3ds Max所渲染的效果图作为参考对象来观察各自的渲染效果。

图2中展示的分别是光线较充足的条件下3ds Max（左）和本文算法（右）所渲染的效果图，3D可看出左图中的台灯附近光照效果涂抹感严重，非常不自然，而右图中光影等细节都很好地展现出来，更具有真实感。

图3中展示的分别是是弱光条件下3DS Max（左）和本文算法（右）所渲染的效果图，可看出左图中台灯附近所照明的墙壁上过渡很不自然，而右图中照明区域比较柔和，更加接近现实的情况。

5　结语

本文探讨了全局光照算法在室内装修设计中的应用，一个真实感较高的效果图在方案设计、招投标以及营销展示等方面都有着非常重要的作用。光照效果是决定最终渲染图的主要元素，本文利用效率较高的全局光照算法在复杂的室内环境下有着不错的表现，但是仍然有一些缺陷：某些区域的噪点无法有效地抑制、参数设置不一定是最优的等等还有待于进一步优化。另外，全局光照的计算是一个非常耗时的过程，如何在一个可接受的时间范围内得到一张不错的效果图也是

图2　细节对比图

图3　细节对比图

我们今后研究的重要方向。

［1］Jirí Vorba，Ondrej Karlík，Martin Šik，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］罗卿平，邱枫.建筑渲染中全局光照技术的应用［J］.华中建筑，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，湖北黄冈人，硕士研究生，研究方向为计算机图形学

2016-05-20

2016-07-20