水面镜面反射高光效果的加速绘制#
 

 摘要：提出一种基于改进球形跟踪算法和简化Ross 反射模型的方法对水面镜面高光效果进行绘制。该方法采用四叉树结构和包围盒技术对水面进行预处理，在跟踪光线过程中递归地剖分包围盒，使其逐渐逼近水面，并将光线与包围盒的交点作为球形跟踪算法的输入值，用来计算光线与水面波浪的可见交点。然后根据镜面反射原理确定镜面反射高光点的位置，并利用简化的Ross 反射模型计算镜面反射高光点的亮度值。实验结果表明，本文提出方法提 高了光线与水面波浪交点的计算效率，并加速了水面镜面反射高光效果的真实感绘制。
 

关键词：计算机应用；镜面高光；改进的球形跟踪算法；四叉树结构；包围盒技术；Ross反射模型

0 引言
近年来计算机图形学中的真实感绘制技术越来越多地应用在影视、娱乐、虚拟现实、模拟仿真等领域。水域光照场景在影视特效、广告设计、游戏制作等方面应用非常广泛。通过光线跟踪方法可以生成类似照片的图像，从而节省昂贵的设备和大量的时间。因此，高效地生成真实感的水域光照场景是一项有实际意义的研究。光照射到水面，与水面波浪相互作用，在水表面发生反射、折射等现象，从而形成水面的光照效果。水面光照强度主要与光源方向、视线方向和水面波浪各点的法线方向以及波浪之间的相互遮挡关系等有关。当光源方向发生变化，水面各点的入射角发生变化，反射角随
之发生变化，因而水面的光照效果也发生变化。对于理想镜面，镜面反射在入射角等于反射角时发生。一般的光滑表面，其镜面反射光的反射方向服从一定的空间分布，如高斯分布等，形成以镜面反射方向为中心轴的强光照效果区域[1][2]。该区域的像素亮度值往往大于显示设备动态范围限制的最大值，均以最大值赋值，因而形成图像的高光现象。对水面镜面反射高光现象绘制的大多数研究中主要存在以下两个方面的问题：（1）绘制水面镜面反射高光现象的局部光照模型大多并不是基于水面的固有特性。（2）求解光线与水面波浪交点时的计算量较大[3][4]。采用光线跟踪方法对水面镜面高光效果进行绘制，需要判断向场景中发射的每一条光线是否与水面波浪相交，由于光线与水面波浪求交的无序性，计算出交点之后，还需要找到最先与光线相交的水面波浪交点，因而计算量很大[5]。

4 结论
本文采用改进的球形跟踪算法和简化的Ross 反射模型对水面镜面反射高光效果进行绘制。通过四叉树结构和包围盒技术对球形跟踪算法进行改进，降低算法执行时间，提高光线与水面交点计算的效率；利用简化的Ross 反射模型，加速绘制具有真实感的水面镜面反射高光场景。利用实验对不同光源位置和不同水面波浪大小两种情形下的水面镜面反射高光效果进行绘制，表明本文提出算法是有效的。
 

[参考文献]
[1] 马吉权，马培军，苏小红.基于镜面高光检测的明暗恢复形状新方法[J].电子学报,2010,38(5):1084-1088.
 

[2] HEALEY G H.，BINFORD T O. Local shape from specularity[A]. Proceedings of IEEE International
Conference on Computer Vision[C].London, UK: IEEE Computer Society,1987:151-160.
[3] PREMOZE S, ASHIKHMIN M. Rendering natural waters[J].Computer Graphics Forum,2001,20(4):189-200.
[4] DARLES E, CRESPIN B, GHAZANFARPOUR D. Accelerating and enhancing rendering of realistic ocean
scenes[C]. Proceedings of WSCG'2007, Plzen, Czech Republic, January-February 2007.
[5] 鲍虎军，金小刚，彭群生.计算机动画的算法基础[M].杭州市：浙江大学出版社，2001.
[6] DARLES E, CRESPIN B, GHAZANFARPOUR D. A Survey of Ocean Simulation and Rendering
Techniques in Computer Graphics[J]. Computer Graphics Forum, 2010,30:43-60.
[7] FOURNIER A, REEVES W. A simple model of ocean waves[C].ACM Siggraph Computer Graphics,1986,20(4): 75-84.
[8] Tan Xiaojun, Feng Xin. An Approach for 3D Water Surface Simulation[C]. Proceedings of 2008 International
Conference on Computer Science and Software Engineering,2008:882-885.
[9] MASTIN G A, WATTERBERG P A, MAREDA J F. Fourier synthesis of ocean scenes[J].IEEE Computer
Graphics and Applications, March 1987,7(3):16-23.
[10] TESSENDORF J. Simulating ocean waters[C].Proceedings of the 1999 ACM SIGGRAPH 2.
[11] FRECHOT J. Realistic simulation of ocean surface using wave spectra[C].Proceedings of the First
International Conference on Computer Graphics Theory and Applications,2006: 76-83.
[12] HINSINGER D, NEYRET F, CANI M P. Interactive animation of ocean waves[C].Proceedings of the 2002
ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation ,2002:161-166.
[13] THON S, GHAZANFARPOUR D. Ocean waves synthesis and animation using real world
information[J].Computer and Graphics, 2002,26(1):99-108.
[14] 刘洁，邹北骥，周洁琼等.基于海浪谱的Gerstner 波浪模拟[J].计算机工程与科学,2006,28(2):41-44.
[15] 刘翔，曾芬芳，高世峰，陈洁. 基于IBR 技术的全景图生成[J].华东船舶工业学院学报（自然科学版）,2001,15(1):32-37.
[16] CABRAL B , OLANO M, NEMEC P. Reflection space image based rendering[C]. Proceedings of the 26th
annual conference on Computer graphics and interactive techniques,July 1999:165-170.
[17] YU J Y, YANG J, MCMILLAN L. Real-time reflection mapping with parallax[C].Proceedings of the 2005
symposium on Interactive 3D graphics and games, April 03-06, 2005, Washington, District of Columbia ..
[18] COOK R L, TORRANCE K E. A reflectance model for computer graphics[C]. ACM Siggraph Computer Graphics, 1981,15(3): 307-316.
[19] WARD G J. Measuring and modeling anisotropic reflection[C]. ACM Siggraph Computer Graphics,1992,26(2) :265-272.
[20] ROSS V, DION D, POTVIN G. Detailed analytical approach to the gaussian surface bidirectional reflectance
distribution function specular component applied to the sea surface[J]. Journal of Optical Society of America,2005,A 22:2442-2453.
[21] BRUNETON E, NEYRET F, HOLZSCHUCH N. Real-time realistic ocean lighting using seamless transitions
from geometry to BRDF[J].Computer Graphics Forum,2010,29(2):487-496.
[22] HART J C. Sphere tracing: A geometric method for the antialiased ray tracing of implicit surfaces[J].The Visual Computer, 1996,12(10):527-545.
[23] [Hart J C,Worley S P.Hyper-rendering of hyper-textured surfaces.Proceeding of Implicit Surfaces.Eindhoven,1996,99-104.
[24] SMITH B. Geometrical shadowing of a random rough surface[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, September 1967,15:668–671.