劉莉萍,楊華琦

(合肥信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院 安徽 合肥 230601)

0 引言

蒙特卡洛路徑追蹤算法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(computer graphics,CG)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的全局光照渲染算法,其優(yōu)勢(shì)在于能夠生成具有高度真實(shí)感的圖像,且能夠處理復(fù)雜的光照效果,如陰影、反射、折射、散射等。然而,該算法也存在著噪聲和計(jì)算效率方面的問題,為了得到清晰的圖像,需要大量采樣和計(jì)算,導(dǎo)致渲染時(shí)間過長(zhǎng)。為解決以上問題,研究者們提出了眾多優(yōu)化方法,其中基于光子映射的方法近年來受到了廣泛關(guān)注。光子映射是一種結(jié)合了正向和反向光線追蹤的全局光照算法,能夠有效地降低噪聲并提高渲染質(zhì)量。本文提出一種在3ds Max軟件中實(shí)現(xiàn)蒙特卡洛路徑追蹤算法性能優(yōu)化策略(progressive photon mapping-based monte carlo path tracing optimization,PPM-MCPTO),并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 蒙特卡洛路徑追蹤算法

1.1 基本原理

蒙特卡洛路徑追蹤算法是一種利用隨機(jī)采樣來模擬光線在場(chǎng)景中傳播和交互的渲染算法,該算法從相機(jī)發(fā)出一束光線,并追蹤光線在場(chǎng)景中的傳播過程,直到遇到光源或被吸收為止。在光線傳播過程中,算法需要計(jì)算光線與物體表面的交點(diǎn)和交點(diǎn)處的表面屬性(如法線、反射率等),從而得到場(chǎng)景中的光照情況[1]。通過在多次隨機(jī)采樣中對(duì)像素值進(jìn)行累積,可以得到最終的圖像。

1.2 噪聲和計(jì)算效率問題

蒙特卡洛路徑追蹤算法存在著噪聲和計(jì)算效率問題。一方面,噪聲是由于隨機(jī)采樣過程中產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致,因此,隨機(jī)采樣的次數(shù)越多,噪聲越小,但計(jì)算效率也越低[2]。另一方面,計(jì)算效率問題是由于算法需要計(jì)算光線與場(chǎng)景中物體表面的交點(diǎn)和交點(diǎn)處的屬性,當(dāng)面對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景時(shí),此計(jì)算則極為耗時(shí)。

2 基于光子映射的蒙特卡洛路徑追蹤算法性能優(yōu)化方法

2.1 光子映射基本原理

光子映射是一種全局光照算法,通過模擬光子與場(chǎng)景物體的相互作用來計(jì)算間接光分布。光子映射過程包括從光源發(fā)射光子,以及沿著場(chǎng)景中物體表面的反射、折射或透射,最終光子信息被存儲(chǔ)在光子圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中[3]。光子映射算法可以分為兩個(gè)階段,即光子發(fā)射階段和光子收集階段。在光子發(fā)射階段,算法模擬光子在場(chǎng)景中的傳播過程;在光子收集階段,算法根據(jù)存儲(chǔ)在光子圖中的光子信息計(jì)算最終的渲染圖像。漸進(jìn)式光子映射(progressive photon mapping,PPM)是一種改進(jìn)的光子映射算法,它采用迭代的方式逐漸提高渲染質(zhì)量。與傳統(tǒng)的光子映射方法相比,PPM能夠在更短的時(shí)間內(nèi)生成更清晰、更平滑的渲染圖像[4]。本文提出了一種基于PPM和蒙特卡洛路徑追蹤(MCPTO)的混合渲染優(yōu)化策略PPM-MCPTO,旨在進(jìn)一步提升蒙特卡洛路徑追蹤算法的渲染效率和效果。

2.2 參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化策略

為了實(shí)現(xiàn)PPM-MCPTO,需要對(duì)采樣數(shù)、光子數(shù)量以及空間劃分和搜索半徑進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。

2.2.1 采樣數(shù)

采樣數(shù),即在渲染過程中每個(gè)像素發(fā)出的光線數(shù)量,直接影響到渲染圖像的質(zhì)量和計(jì)算量。采用基于局部梯度的自適應(yīng)采樣方法,可以根據(jù)場(chǎng)景中的光照變化和紋理細(xì)節(jié)動(dòng)態(tài)分配采樣數(shù)[5]。通過對(duì)比不同采樣數(shù)下的渲染效果和噪聲分布,可以確定一個(gè)合理的采樣數(shù)區(qū)間,從而在渲染質(zhì)量和計(jì)算時(shí)間之間達(dá)到最優(yōu)的平衡。

2.2.2 光子數(shù)量

光子數(shù)量是指在光子映射過程中發(fā)射的光子總數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)墓庾訑?shù)量對(duì)于保證渲染質(zhì)量和控制計(jì)算時(shí)間非常關(guān)鍵。因此需要對(duì)不同光子數(shù)量下的渲染結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析,并根據(jù)場(chǎng)景的復(fù)雜度、材質(zhì)屬性及光照條件,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光子數(shù)量,從而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)確定的光子數(shù)量區(qū)間內(nèi)的性能優(yōu)化[6]。

2.2.3 空間劃分和搜索半徑

空間劃分和搜索半徑是光子收集階段的重要參數(shù),影響渲染質(zhì)量和計(jì)算時(shí)間。采用基于k維樹(k-dimensional tree, KD-Tree)的自適應(yīng)空間劃分方法,可根據(jù)場(chǎng)景的復(fù)雜度和光子分布動(dòng)態(tài)劃分空間。同時(shí)需將不同搜索半徑對(duì)渲染效果的影響納入研究,確定合適的搜索半徑區(qū)間。在此區(qū)間內(nèi),根據(jù)收集到的光子密度調(diào)整搜索半徑,能夠達(dá)到降低噪聲并提高渲染質(zhì)量的目標(biāo)。

綜合運(yùn)用上述參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化策略,PPM-MCPTO能夠在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)降低計(jì)算量,為實(shí)際渲染項(xiàng)目提供更高效、可靠的解決方案。

3 實(shí)現(xiàn)方案

3.1 3ds Max軟件中的實(shí)現(xiàn)

3ds Max是一款廣泛應(yīng)用于游戲開發(fā)、建筑可視化、電影特效等領(lǐng)域的專業(yè)三維建模、動(dòng)畫和渲染軟件。它的強(qiáng)大功能主要來自于其多樣化的渲染引擎選擇和靈活的腳本語言支持。用戶可以根據(jù)具體需求選擇諸如V-Ray、Arnold和Mental Ray等多種渲染引擎,以滿足各種不同的渲染需求和風(fēng)格。3ds Max還內(nèi)置了MAXScript腳本語言,這種語言強(qiáng)大而靈活,用戶可以利用它編寫腳本來定制工作流程,或者開發(fā)各種功能強(qiáng)大的插件。本文中的PPM-MCPTO策略被實(shí)現(xiàn)為名為“PPM-MCPTO Renderer”的3ds Max插件。該插件采用了基于PPM和蒙特卡洛路徑追蹤(MCPTO)的混合渲染策略,為3ds Max用戶提供一種新的、高效的渲染工具。

3.2 實(shí)現(xiàn)方法和插件開發(fā)

3.2.1 插件架構(gòu)

“PPM-MCPTO Renderer”插件采用PPM與蒙特卡洛路徑追蹤相結(jié)合的混合渲染器設(shè)計(jì)。該插件主要包括光子發(fā)射模塊、光子收集模塊及參數(shù)調(diào)整模塊3個(gè)核心模塊。

(1)光子發(fā)射模塊致力于模擬光子在場(chǎng)景中傳播的過程,進(jìn)而構(gòu)建光子圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在具體實(shí)現(xiàn)中,模塊首先根據(jù)概率密度函數(shù)(PDF)從所有光源中隨機(jī)選取一個(gè)光源,并進(jìn)行加權(quán)。接著,依據(jù)所選光源類型生成一定數(shù)量的光子,運(yùn)用蒙特卡洛追蹤方法對(duì)光子進(jìn)行追蹤。每次碰撞時(shí),根據(jù)物體材質(zhì)屬性(如BRDF/BTDF)確定光子的反射與折射方向。此外,通過俄羅斯轉(zhuǎn)盤算法決定是否繼續(xù)追蹤。最后將光子的位置、方向及能量信息存儲(chǔ)于光子圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如kd-tree)中。

(2)光子收集模塊根據(jù)光子圖計(jì)算出最終的渲染結(jié)果。首先,模塊依據(jù)相機(jī)模型確定場(chǎng)景中每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的視線方向,此相機(jī)模型可根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)(如焦距、感光元件尺寸等)進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而針對(duì)每個(gè)像素點(diǎn),運(yùn)用射線追蹤算法計(jì)算直接光照,并采用光線-光源相交方法判斷該像素點(diǎn)是否受到直接照射。緊接著,從光子圖中檢索與每個(gè)像素點(diǎn)相交的光子,依據(jù)這些光子的能量和顏色計(jì)算出該像素點(diǎn)的間接光照值。最終將直接光照和間接光照值相加,得到像素顏色值。對(duì)于多次采樣的像素,使用PPM的累積緩沖區(qū)來合成最終顏色。

(3)參數(shù)調(diào)整模塊主要負(fù)責(zé)優(yōu)化算法參數(shù),如采樣數(shù)、光子數(shù)量和搜索半徑等。通過圖形界面或命令行接口,允許用戶調(diào)整各種參數(shù)。該模塊提供自適應(yīng)采樣功能,依據(jù)圖像的顏色梯度調(diào)整采樣數(shù)量,降低噪聲并提高計(jì)計(jì)算效率。

“PPM-MCPTO Renderer”作為一個(gè)獨(dú)立的渲染器插件,可以與3ds Max中的其他渲染引擎協(xié)同使用,其樹形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PPM-MCPTO Renderer插件設(shè)計(jì)架構(gòu)

3.2.2 用戶界面設(shè)計(jì)

插件設(shè)有實(shí)時(shí)預(yù)覽功能,用戶可以在調(diào)整參數(shù)時(shí)實(shí)時(shí)查看渲染效果。采用逐像素更新的方法,并使用多線程渲染技術(shù)以提高響應(yīng)速度。為了方便用戶后期處理和存檔,參數(shù)調(diào)整模塊還提供導(dǎo)出渲染結(jié)果的功能,支持輸出多種圖像格式(如PNG、JPEG、EXR等)及圖像分辨率、壓縮率等多種選項(xiàng)。PPM-MCPTO Renderer的用戶界面功能見表1。

表1 PPM-MCPTO Renderer的用戶界面功能列表

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和數(shù)據(jù)集

實(shí)驗(yàn)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī),配置為Intel Core i7-9700K處理器,32 GB內(nèi)存,NVIDIA GeForce GTX 1080顯卡;實(shí)驗(yàn)采用3ds Max 2023版本作為主要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為了全面評(píng)估所提出的渲染方法,實(shí)驗(yàn)選用了3個(gè)具有不同特點(diǎn)的場(chǎng)景組成的數(shù)據(jù)集:室內(nèi)場(chǎng)景(包含家具和光源的起居室)、室外場(chǎng)景(陽光照射的城市廣場(chǎng))和混合場(chǎng)景(室內(nèi)外相互連接的畫廊)。以上場(chǎng)景涵蓋了各種幾何體、材質(zhì)和光源的組合,可反映不同場(chǎng)景下渲染方法的性能表現(xiàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.2.1 渲染效果評(píng)價(jià)

為了全面評(píng)估渲染效果,實(shí)驗(yàn)采用峰值信噪比(peak signal to noise ratio,PSNR)和結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)(structural similarity,SSIM)2個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。PSNR反映了圖像的噪聲水平,其值越高表示噪聲越低,圖像質(zhì)量越高;SSIM是一種基于人類視覺系統(tǒng)的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),能夠衡量圖像結(jié)構(gòu)信息的保留程度。SSIM值越接近1,說明結(jié)構(gòu)信息保留得越好,圖像質(zhì)量也越高。通過這2個(gè)指標(biāo),可以從不同方面評(píng)估所提出方法的渲染效果。

4.2.2 渲染時(shí)間評(píng)價(jià)

為了評(píng)估所提方法在渲染時(shí)間方面的優(yōu)劣,實(shí)驗(yàn)記錄了每個(gè)場(chǎng)景在使用不同優(yōu)化策略時(shí)所需的總渲染時(shí)間,并進(jìn)行了比較分析。通過對(duì)比渲染時(shí)間,可以得知所提出的方法在性能上是否具有優(yōu)勢(shì),以及其在不同場(chǎng)景下的表現(xiàn)。這有助于驗(yàn)證方法在實(shí)際應(yīng)用中是否能夠滿足渲染速度的需求,從而為進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化提供參考依據(jù)。不同優(yōu)化策略渲染時(shí)間對(duì)比見表2。

表2 不同優(yōu)化策略渲染時(shí)間對(duì)比

5 結(jié)果分析

5.1 光子映射參數(shù)對(duì)渲染效果的影響

實(shí)驗(yàn)分別調(diào)整采樣數(shù)為64、128、256、512,光子數(shù)量為10萬、50萬、100萬、200萬,空間劃分為4、8、16、32,以及搜索半徑為0.1、0.5、1.0、2.0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采樣數(shù)為256和光子數(shù)量為100萬時(shí),PSNR達(dá)到了34.2 dB,SSIM為0.89?？臻g劃分為16和搜索半徑為0.5時(shí),PSNR為33.6 dB,SSIM為0.88。這些參數(shù)組合在降低噪聲和提高渲染效果方面表現(xiàn)最佳。

5.2 PPM-MCPTO在不同場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)

在室內(nèi)、室外場(chǎng)景下,實(shí)驗(yàn)比較了PPM-MCPTO與傳統(tǒng)蒙特卡洛路徑追蹤算法的性能表現(xiàn)。結(jié)果顯示,PPM-MCPTO在室內(nèi)場(chǎng)景中將PSNR從28.3 dB提高到34.2 dB,SSIM從0.81提高到0.89;在室外場(chǎng)景中將PSNR從29.1 dB提高到33.8 dB,SSIM從0.83提高到0.88。結(jié)果表明,在室內(nèi)和室外場(chǎng)景下,PPM-MCPTO均能有效降低噪聲并提高渲染效果。

5.3 PPM-MCPTO在建筑可視化和混合場(chǎng)景中的應(yīng)用表現(xiàn)

在建筑可視化應(yīng)用測(cè)試中,使用了混合場(chǎng)景包括現(xiàn)代化辦公大樓外觀、周圍的綠化帶和街道,以及部分室內(nèi)空間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在混合場(chǎng)景中,PPM-MCPTO將PSNR從27.5 dB提高到32.6 dB,SSIM從0.79提高到0.86。

PPM-MCPTO Renderer在處理建筑材質(zhì)的光照反射、透射和陰影效果方面表現(xiàn)出色,呈現(xiàn)出更加真實(shí)和細(xì)膩的渲染效果。與傳統(tǒng)方法相比,PPM-MCPTO策略在渲染時(shí)間上表現(xiàn)出更高的效率,提升了建筑可視化項(xiàng)目的完成速度。

6 結(jié)語

綜上所述,本文通過深入分析光子映射的基本原理、PPM的實(shí)現(xiàn)方法及關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化,成功地降低了噪聲并提高了渲染效果。PPM-MCPTO能有效處理各種場(chǎng)景和材質(zhì)類型,尤其是具有高光澤度或次表面散射效果的材質(zhì)。通過開發(fā)PPM-MCPTO Renderer插件,實(shí)現(xiàn)了3ds Max中多種不同場(chǎng)景和混合場(chǎng)景的渲染任務(wù),進(jìn)一步證明了PPM-MCPTO策略在高質(zhì)量、高效率和高可行性方面的優(yōu)勢(shì)。盡管PPM-MCPTO仍存在一定的局限性和不足,但在克服光線模擬挑戰(zhàn)和實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量渲染方面已經(jīng)取得了重要突破。未來研究將繼續(xù)探索實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的優(yōu)化,尋求更高效的光傳輸模擬方法和采樣方法。