基于光線追蹤的可視性分析研究與模塊開發(fā)

陳 川，任 強(qiáng)，鄧金華

(中國(guó)工程物理研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，四川 綿陽(yáng)621900)

0 引言

人眼是人體的重要器官，其觀察的信息是人腦進(jìn)行判決的主要依據(jù)。可視性分析是人機(jī)工效分析的重要內(nèi)容，保證產(chǎn)品在使用、維護(hù)時(shí)具有良好的可視性是十分必要的，進(jìn)行人眼可視性分析的研究具有重要的意義[1-3]。

張?jiān)礉齕4]等利用CATIA 軟件的視野分析模塊對(duì)加油車進(jìn)行多條件分析，確定了視野分析方法的可行性，但是其研究缺少理論分析內(nèi)容。 張麗[5]等根據(jù)中國(guó)人體尺寸建立中國(guó)飛行員標(biāo)準(zhǔn)人體模型,從操作可達(dá)性、視野可視性兩個(gè)方面對(duì)無(wú)人機(jī)地面站操控臺(tái)布局進(jìn)行分析和仿真。 何玢潔[6]等利用CATIA軟件對(duì)煤礦井下坑道鉆機(jī)駕駛室空間工效、可視性、舒適度進(jìn)行分析，通過(guò)人體模型在駕駛室內(nèi)的操作狀況分析,對(duì)駕駛室的主要部件設(shè)計(jì)提出了修改參考。 方雄兵[7]等針對(duì)維修仿真中以人眼為導(dǎo)向的分析方法所存在的不足，在Jack 仿真軟件的基礎(chǔ)上,采用Tcl/Tk 及Jackscript 語(yǔ)言,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于維修部位導(dǎo)向的可視性分析功能模塊。

以上可視性分析工作均是基于CATIA 或者Jack 等主流工效分析軟件開展。 目前這類主流工效分析軟件的可視性分析內(nèi)容主要集中在視野范圍定性標(biāo)識(shí)與可視對(duì)象的輪廓展示，分析內(nèi)容較為單一，并未進(jìn)行高級(jí)的光學(xué)特性建模，未考慮光照條件、環(huán)境背景及產(chǎn)品自身屬性等因素造成的影響，不能實(shí)現(xiàn)因遮擋造成的陰影或反光鏡反射等高級(jí)光學(xué)效果的模擬與分析。 針對(duì)此問(wèn)題，本文提出一種基于光線追蹤的可視性分析方法，研究光線的傳輸過(guò)程和表面的著色模型，建立全局光照模型，并針對(duì)CATIA 平臺(tái)，開發(fā)可視性分析組件，擴(kuò)展其可視性分析功能，實(shí)現(xiàn)帶有反射與陰影效果的可視性分析與模擬。

1 全局光照渲染引擎

1.1 全局光照模型

以Lambert 模型為代表的局部光照模型僅考慮光源直接照射物體表面，而未考慮物體之間的相互影響，難以實(shí)現(xiàn)陰影、反射等高級(jí)光照效果。全局光照模型除考慮入射光源的屬性、物體本身材質(zhì)屬性(即反射率、透射率和自發(fā)光強(qiáng)度)之外，還考慮了物體之間的相互影響(表現(xiàn)為目標(biāo)與光源和背景之間的幾何關(guān)系)，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的渲染效果。

本文使用一種改進(jìn)型Whitted 模型[8]作為全局光照模型，物體表面的亮度可以表示為：

其中，Vi為目標(biāo)表面與光源i 的可見性因子，Vi等于1 表示目標(biāo)被光源i 直射，反之處于光源i 的陰影中；表示光源i 的強(qiáng)度；分別表示入射光的方向與目標(biāo)表面的法線，表 示 光 源 對(duì)表面的亮度受入射天頂角的影響，天頂角越小，光源對(duì)表面的入射亮度越大；r 表示目標(biāo)表面的反射率；Is表示與表面出射光線對(duì)稱的方向上背景表面的亮度，其計(jì)算方式同樣遵從上式，可以通過(guò)迭代方式計(jì)算獲得；fm為表面是否為鏡面的標(biāo)志，為了減少模型復(fù)雜度，認(rèn)為非鏡面表面不存在因反射形成的背景倒影，即不考慮非鏡面表面的反射效果；Ie是物體本身的自發(fā)光亮度，對(duì)于非光源表面，該值為0。 在渲染系統(tǒng)中，上文所述的亮度、反射率等都一般使用三個(gè)分量的RGB 來(lái)表示。

式(1)中，通過(guò)引入目標(biāo)對(duì)光源的可見性因子，可以實(shí)現(xiàn)陰影效果的模擬；通過(guò)引入與觀測(cè)位置對(duì)稱方向上背景的光照貢獻(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)鏡面反射效果的模擬。 由于應(yīng)用需求側(cè)重，與經(jīng)典的Whitted 模型相比，本文的光照模型一方面忽略了優(yōu)先級(jí)不高的折射現(xiàn)象，簡(jiǎn)化了模型復(fù)雜程度；另一方面引入了自發(fā)光因素，可以實(shí)現(xiàn)光源對(duì)象的渲染。

1.2 基于光線追蹤的渲染

在全局光照模型的定義下，目標(biāo)表面的亮度通過(guò)式(1)表示，難以使用解析的方法準(zhǔn)確計(jì)算，一般采用逆向光線追蹤方法遞歸地計(jì)算其光亮度[9-10]。求解上述全局光照模型的光線追蹤算法流程如圖1所示。

圖1 光線追蹤求解全局光照模型流程圖

如圖1 所示，利用光線追蹤技術(shù)求解全局光照模型包括以下5 個(gè)步驟：

(1)主光線發(fā)射

從攝像機(jī)所在位置出發(fā)，經(jīng)過(guò)成像平面內(nèi)的像素點(diǎn)向場(chǎng)景內(nèi)發(fā)射一條主光線。

(2)主光線與場(chǎng)景相交檢測(cè)

用主光線與場(chǎng)景中的對(duì)象一一進(jìn)行相交檢測(cè)，根據(jù)最近的交點(diǎn)位置得到最近的目標(biāo)表面；如果光線未與場(chǎng)景相交，則直接返回默認(rèn)亮度。

(3)計(jì)算表面直射的光亮度

從交點(diǎn)處向光源位置發(fā)射一條陰影光線，并檢測(cè)陰影光線是否與場(chǎng)景相交。 如果相交則表面處于陰影處，對(duì)于該光源的可視性因子Vi=0，光源對(duì)表面的直射亮度為0；否則根據(jù)光源強(qiáng)度、光源方向與法線夾角和表面反射率計(jì)算直射光照強(qiáng)度。

(4)計(jì)算表面反射的光亮度

根據(jù)表面的特性，計(jì)算由背景發(fā)出的、經(jīng)目標(biāo)表面反射后進(jìn)入攝像機(jī)的光亮度：

①如果該表面為非鏡面，則fm=0，該部分光亮度為0。

②如果該表面為鏡面，則根據(jù)鏡面反射定律，生成一條與主光線關(guān)于法線對(duì)稱的反射光線，遞歸地從步驟(2)開始對(duì)該反射光線進(jìn)行追蹤，計(jì)算該部分反射分量的貢獻(xiàn)。 此處追蹤過(guò)程可能無(wú)限循環(huán)下去，可通過(guò)設(shè)置最大迭代次數(shù)n 進(jìn)行限制，表示忽略經(jīng)過(guò)n 次反射后進(jìn)入人眼的背景亮度貢獻(xiàn)。

(5)計(jì)算目標(biāo)表面總亮度

根據(jù)式(1)，結(jié)合表面自發(fā)光亮度，計(jì)算目標(biāo)表面所有光亮度之和。

光線在場(chǎng)景中的傳輸過(guò)程可用圖2 描述。

圖2 逆向光線傳輸過(guò)程示意圖

上述光線追蹤過(guò)程計(jì)算的是單個(gè)像素上的亮度值，成像平面上各像素之間的光線之間互不影響，可使用并行的方式，借助GPU 強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，同時(shí)向場(chǎng)景中發(fā)射大量的光線，并行計(jì)算整個(gè)成像平面上像素值，可極大地加快渲染過(guò)程。

從零開始進(jìn)行并行的光線追蹤程序開發(fā)存在流程復(fù)雜、編程難度高等問(wèn)題，可借助成熟的工具實(shí)現(xiàn)特定需求的光線追蹤應(yīng)用。 OPTIX[11]是NVIDIA公司開發(fā)的一款高性能光線追蹤工具包，該工具包基于CUDA 架構(gòu)，將光線追蹤過(guò)程流程化、標(biāo)準(zhǔn)化，封裝了場(chǎng)景劃分、CPU 與GPU 數(shù)據(jù)交換等通用功能，以Program 的形式提供接口給開發(fā)者實(shí)現(xiàn)各自不同的光線追蹤應(yīng)用。

OPTIX 的編程模型分為主機(jī)端與設(shè)備端代碼。其中主機(jī)端代碼運(yùn)行在CPU 中，完成參數(shù)設(shè)置、場(chǎng)景組織與輸入等準(zhǔn)備工作；設(shè)備端代碼運(yùn)行在GPU中，并行地實(shí)現(xiàn)光線生成、相交計(jì)算、包圍盒生成、著色計(jì)算等工作。 開發(fā)人員可通過(guò)實(shí)現(xiàn)以Program對(duì)象暴露出來(lái)的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用相關(guān)的計(jì)算。 在OPTIX 中主要包含6 種接口，如表1 所示。

2 CATIA 可視性分析模塊

CATIA 的人機(jī)工程模塊實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的可視性分析功能， 但是未進(jìn)行光照因素與表面特性的建模，因此有必要通過(guò)二次開發(fā)的方式擴(kuò)展CATIA 的可視性分析功能。

組件應(yīng)用架構(gòu)(Component Application Architecture，CAA)是CATIA 軟件提供的一種二次開發(fā)方式，在該接口的支持下，用戶可以在VC++編程環(huán)境下與CATIA進(jìn)行通信，能夠直接訪問(wèn)CATIA 的圖形用戶界面、應(yīng)用程序和特征數(shù)據(jù)模型。

利用CAA 對(duì)CATIA 進(jìn)行二次開發(fā)，集成全局光照渲染引擎，實(shí)現(xiàn)帶有反射與陰影特性的可視性分析模塊。 利用該模塊進(jìn)行可視性分析主要包括研究對(duì)象設(shè)定、光照設(shè)置、場(chǎng)景轉(zhuǎn)換和渲染顯示四個(gè)步驟。

2.1 對(duì)象設(shè)定

在CATIA 的圖形窗口中進(jìn)行交互式的拾取，拾取對(duì)象包括待分析的虛擬人和鏡面對(duì)象兩類。 前者拾取過(guò)濾器的特征類型為SWKIManikin，并同時(shí)獲取該虛擬人眼睛所在的位置和視場(chǎng)角等觀測(cè)參數(shù)；后者拾取過(guò)濾器的特征類型為CATISurface，能支持不同類型的曲面。

2.2 光照設(shè)置

光照條件是可視性分析的重要影響因素，不同的光照條件會(huì)影響人的視覺工效。 光照設(shè)置的內(nèi)容包括光源類型、光照顏色、光線方向/位置、光源數(shù)量等因素。 光源分為點(diǎn)光源和平行光源，點(diǎn)光源位于場(chǎng)景之內(nèi)，具有位置屬性，而平行光源假設(shè)光源位于無(wú)限遠(yuǎn)處，僅具有方向?qū)傩浴?/p>

表1 6 種主要的OPTIX 接口

2.3 場(chǎng)景轉(zhuǎn)換

CATIA 采用曲面建模技術(shù)通過(guò)曲線和曲面來(lái)定義造型，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在渲染時(shí)采用多邊形模型來(lái)近似產(chǎn)品形狀。 因此，需要將曲面表示的CAD 模型網(wǎng)格化為多邊形網(wǎng)格模型，該任務(wù)可以由CAA 提供的網(wǎng)格化功能完成。 在此轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要同時(shí)獲取曲面的光學(xué)材質(zhì)。一般情況下在CATIA 模型中不包含產(chǎn)品的光學(xué)屬性，可以采用顏色屬性進(jìn)行近似表示。另外，需對(duì)被標(biāo)為鏡面的曲面單獨(dú)處理，將其設(shè)為鏡面材質(zhì)，即反射率為(1，1，1)。

2.4 渲染顯示

完成場(chǎng)景轉(zhuǎn)換后，CAD 設(shè)計(jì)模型以三角形網(wǎng)格的形式進(jìn)入全局光照渲染引擎中進(jìn)行著色計(jì)算，其結(jié)果以二維圖像的形式返回并顯示在窗體中。 還需要在此過(guò)程中實(shí)現(xiàn)CATIA 產(chǎn)品中虛擬人的狀態(tài)監(jiān)視，隨時(shí)更新渲染引擎中人眼的觀測(cè)位置和虛擬人姿態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文以某汽車設(shè)計(jì)時(shí)的可視分析應(yīng)用為例，驗(yàn)證上述開發(fā)的可視性分析模塊對(duì)陰影、反射效果的模擬能力。

待分析汽車的CATIA 模型較為復(fù)雜，共有4 930個(gè)曲面，將其左側(cè)的反光鏡設(shè)置為鏡面，經(jīng)網(wǎng)格化后的網(wǎng)格模型約有12 萬(wàn)個(gè)三角面片。 開發(fā)的分析模塊運(yùn)行環(huán)境為：CPU 2.6 GB×16 核、顯存8 GB。 可視性分析模塊的渲染速率達(dá)到40 幀/s，在虛擬人執(zhí)行轉(zhuǎn)頭、側(cè)身等動(dòng)作時(shí)，能夠流暢地刷新可視內(nèi)容，不存在卡頓或延遲，滿足可視性分析應(yīng)用的需求。

分析工況為50 百分位的男性在駕駛位偏頭向左通過(guò)后視鏡觀察路況。圖3 為CATIA 自帶的可視性分析功能所得的可視內(nèi)容，圖4 為本文開發(fā)的可視性分析模塊所得到的可視內(nèi)容。 從圖中對(duì)比可以看出，CATIA 的可視性分析功能僅能顯示視野內(nèi)物體的輪廓，而不能模擬后視鏡內(nèi)的反射內(nèi)容，也無(wú)陰影效果；而從本文的結(jié)果中可以看出明顯的陰影效果。 圖5 是后視鏡反射內(nèi)容的特寫，從中可以看出駕駛員能夠通過(guò)后視鏡清晰地觀察到本車左側(cè)車身和后側(cè)來(lái)車。

圖3 CATIA 可視性分析功能的分析結(jié)果

圖4 本文方法的可視性分析結(jié)果

圖5 后視鏡反射特寫

從以上驗(yàn)證與對(duì)比中可以看出，基于本文全局光照渲染引擎開發(fā)的可視性分析模塊相較于CATIA軟件內(nèi)置的可視性分析功能，很好地模擬了鏡面反射和陰影現(xiàn)象，可用于諸如反光鏡、陰影區(qū)與非陰影區(qū)對(duì)比等高級(jí)視覺特性的分析工作。

4 結(jié)論

針對(duì)CATIA 軟件的可視性分析功能薄弱這一問(wèn)題， 本文提出了基于光線追蹤的可視性分析方法，建立了全局光照模型，以此模型開發(fā)了一套渲染引擎，并在CATIA 平臺(tái)下通過(guò)二次開發(fā)方式實(shí)現(xiàn)了一套可視性分析模塊，用戶僅需經(jīng)過(guò)選擇分析對(duì)象、設(shè)置光照條件等操作，便能實(shí)現(xiàn)帶有陰影和反射兩種高級(jí)光學(xué)效果的可視性分析與模擬。 通過(guò)對(duì)某型汽車駕駛員的可視性分析為例進(jìn)行驗(yàn)證，體現(xiàn)了該分析模塊在反光效果、陰影效果模擬兩方面的準(zhǔn)確性，一定程度上拓展了CATIA 可視性工效分析的能力，具有較好的實(shí)用性。

本文所使用的全局光照模型還是較為簡(jiǎn)單，它僅考慮了對(duì)稱方向上的背景對(duì)目標(biāo)表面點(diǎn)的光亮度貢獻(xiàn)，因而它僅能模擬理想的鏡面反射效果。 后續(xù)工作中應(yīng)考慮目標(biāo)表面半球空間內(nèi)所有背景對(duì)該表面的亮度影響，實(shí)現(xiàn)真正的“全局光照”；另外，在光照模型中忽略了折射(透射)現(xiàn)象，不能實(shí)現(xiàn)諸如擋風(fēng)玻璃這一類的透明物體可視性分析，后續(xù)工作應(yīng)考慮增加該項(xiàng)特性。