虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法。包括陰影映射圖生成步驟，半影估計步驟，基于泊松碟采樣的百分比漸近濾波步驟，最后通過加入漫反射環(huán)境光，生成具有真實感的虛擬家裝室內(nèi)場景陰影效果圖。本發(fā)明方法能夠高效且能改善陰影映射圖鋸齒走樣的問題。
【專利說明】虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實領域，涉及一種虛擬環(huán)境中的實時陰影效果渲染方法。
【背景技術(shù)】
[0002]虛擬現(xiàn)實是人工構(gòu)造的存在于計算機內(nèi)部的環(huán)境，是一種高級的人機界面。三維虛擬家裝室內(nèi)的場景效果圖將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到了家裝領域。通過對家裝室內(nèi)場景進行照片級的真實感渲染使得用戶產(chǎn)生置身于相應的真實環(huán)境中的感覺。顧客也可運用此技術(shù)體會裝修后的效果，給人們的購房和裝修帶來了很大的便利，具有較大的市場前景。
[0003]陰影作為影響三維場景真實感的重要因素，可以為場景提供空間的幾何信息，有助于理解物體間的相互位置關(guān)系和大小，利用投射陰影可以決定物體在空間中的位置，反映空間物體的細微信息和位置關(guān)系。三維圖形中陰影不僅能增加畫面的層次感和變化感，突出模型之間的對比度，還能使整個場景色調(diào)豐富，有效地表現(xiàn)場景中各個物體的輪廓。在家裝室內(nèi)虛擬場景中加入效果柔和的陰影無疑是大有裨益的。
[0004]從物理角度來分析，由于光線在傳播路徑上被不透明物體阻擋從而產(chǎn)生陰影。從計算機圖形學角度來看，若從場景中的一點P看不到光源，那么點P就處在陰影中。這是因為光源發(fā)出的光不能到達P點，也就是說陰影是眼睛可以看到而光源看不到的區(qū)域。因而它對于判斷物體的空間關(guān)系、形狀特征(如:遮擋物，接受體的幾何特征)以及其與光源的距離等信息而言有著不可替代的作用。
[0005]按照光源模型的不同，又能產(chǎn)生軟陰影(soft shadow)與硬陰影(hard shadow)。當僅存在一個點光源的照射下時場景中的點只有在陰影中或在陰影之外兩種狀態(tài)，這種簡單的情況就是硬陰影。這種陰影只有在一個點光源的照射下才可能存在，然而在現(xiàn)實中卻并不多見，這使得硬陰影降低了圖像的真實感。如果光源是比較大的發(fā)光體，當不透明體遮住光源時所產(chǎn)生的影子就有兩部分，完全暗的部分叫本影(umbra)，半明半暗的部分叫半影(penumbra) 0本影與半影構(gòu)成了整個陰影，這種陰影真實感強，被稱為軟陰影。真實的物理世界中并不存在理想的點光源，物體與物體之間存在著無窮無盡的反射。因此，在虛擬環(huán)境中運用軟陰影將比硬陰影得到更好的渲染效果。
[0006]眾所周知，有光源和遮擋物，就可能產(chǎn)生陰影。在計算機圖形學中，光照模型可以分為全局光照模型和局部光照模型。局部光照模型只計算直接光照下幾何物體表面每個像素點上的光亮度和色彩；而全局光照模型不僅具備局部光照模型的功能，還可以完整的計算出光反射所引起的間接照明作用?；谌值墓庹漳Ｐ偷年幱胺椒ù蠖嗍腔谇蛎嬲{(diào)諧函數(shù)以及基于小波變換的方法，構(gòu)思巧妙，但是計算復雜，需要對場景進行預計算。最近研究者提出了一種基于預計算輻射轉(zhuǎn)換的技術(shù)，從而產(chǎn)生高質(zhì)量的陰影。近年來，隨著人們對照片級真實感場景的追求，提出了運用光測圖對環(huán)境進行照明，使得場景具有鏡面反射、折射、漫反射等各種復雜光照的特性。
[0007]早期的局部光照模型方法主要是針對幾何光照，也就是局部光照提出來的，分別是:Crow于1977年提出的陰影體(Shadow Volumes)方法和Williams于1978年提出的陰影映射圖(Shadow Maps)方法。陰影體方法基于物體的幾何形狀，它不能處理沒有多邊形結(jié)構(gòu)的物體的陰影計算；同時由于繪制陰影體需要很高的填充率，因此該方法不適合復雜動態(tài)場景的實時陰影繪制。陰影映射圖方法基于圖像空間采樣技術(shù)，對場景中的物體沒有特殊的要求，并且方法的執(zhí)行效率與物體的幾何復雜度無關(guān)，所以該方法非常適用于復雜三維室內(nèi)場景的實時陰影繪制。但是陰影映射圖方法存在走樣問題。當在光柵圖形顯示器上繪制非水平且非垂直的直線或多邊形邊界時，或多或少會呈現(xiàn)鋸齒狀或臺階狀外觀。這是因為直線或多邊形是連續(xù)的，而光柵則是由離散的點組成，在光柵顯示設備上表現(xiàn)直線或多邊形必須在離散位置采樣。由于采樣不充分導致重建后的信息失真，這就是走樣問題。針對陰影映射圖方法的走樣問題，Reeves提出了百分比漸進濾波方法(Percentage-CloserFiltering)，該方法主要對深度距離值比較的結(jié)果進行濾波，取得了一定的成果，但是該方法需要很多次采樣才能降低噪聲，帶來了很大的計算量。
[0008]本發(fā)明以虛擬家裝軟件為應用平臺，通過增加室內(nèi)場景的陰影來提高軟件渲染的真實感?；诃h(huán)境的映射技術(shù)是近年來比較熱門的全局光照模型，它通過運用包含場景材質(zhì)光照信息的圖片對場景進行照明，真實感強烈。局部光照雖然真實感遜于全局光照，但是計算量少，實時性好?？紤]到虛擬家裝設計軟件的實時性要求，本發(fā)明設計了一種虛擬家裝室內(nèi)場景陰影渲染方法。
[0009]虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染主要包括生成陰影映射圖，根據(jù)距離平均值以及光源大小計算半影寬度。接下來進行基于泊松碟采樣進行陰影映射圖更新。將從攝像頭位置視角渲染的家裝室內(nèi)場景效果圖中的像素值，與更新的陰影映射圖中對應的紋理映射值相乘，生成最后的場景效果圖。
[0010]本發(fā)明通過以上步驟，完成虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染。實時生成具有真實感的虛擬家裝室內(nèi)場景陰影效果圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]技術(shù)問題:本發(fā)明提供一種真實感強烈，生成了場景中物體的軟陰影而且速度快，可以滿足虛擬家裝實時渲染要求的虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法。
[0012]技術(shù)方案:本發(fā)明的虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法，包括以下步驟:
[0013](I)確定家裝室內(nèi)場景在攝像頭位置視角下的所有可見像素的紋理映射值，從而構(gòu)建生成陰影映射圖，其中確定每個可見像素的紋理映射值的具體流程為:
[0014]首先以光源為視點渲染場景，得到場景中每個像素的深度距離并存入紋理緩存中；
[0015]然后從攝像頭位置出發(fā)，計算每個可見像素與光源的距離值，并將此距離值與深度紋理中存儲的對應可見像素的深度距離進行比較，如距離值大于對應的深度距離，則該可見像素在陰影區(qū)域，紋理映射值為0，否則在非陰影區(qū)域，紋理映射值為I ;
[0016](2)搜尋紋理緩存，按照如下方法確定每個像素的半影測量寬度:從當前像素點的鄰域中找到所有比當前像素更靠近光源的像素點，并求取它們的深度距離平均值dB1(xto，然后根據(jù)所述深度距離平均值dB1(K;kOT和光源的寬度，確定當前像素的阻隔區(qū)域，進而估算出半影測量寬度；
[0017](3)首先對所述陰影映射圖進行泊松碟形采樣，然后對采樣得到的每個像素點按照如下的百分比漸進濾波方法進行濾波處理，最終得到更新的陰影映射圖:
[0018]將與像素點半影測量寬度最接近的奇數(shù)值作為百分比漸進濾波的正方形模板的邊長，將模板中每個元素與模板中心距離的倒數(shù)設定為與該元素正相關(guān)的權(quán)值，然后進行百分比漸進濾波，更新像素點的紋理映射值；
[0019](4)將從攝像頭位置視角渲染的家裝室內(nèi)場景效果圖中的像素值，與更新的陰影映射圖中對應的紋理映射值相乘，生成最后的場景效果圖。
[0020]本發(fā)明方法優(yōu)選方案的步驟(2)中，根據(jù)下式估算半影測量寬度:
[0021]Wpenumbra — dBlocker.WLight,
[0022]其中，Wpenumbra為半影測量寬度，dBlocker值為當前像素點的鄰域中所有比當前像素更靠近光源的像素點的深度距離平均值，Wught為光源的寬度。
[0023]本發(fā)明方法優(yōu)選方案的步驟(2)中，當前像素點的鄰域的尺寸設定為3X3。
[0024]本發(fā)明方法優(yōu)選方案的步驟(3)中的泊松碟形采樣中，將泊松碟形尺寸設定為5。
[0025]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0026]本發(fā)明首先采用陰影映射圖方法進行虛擬家裝室內(nèi)場景的陰影渲染，這種方法對場景中的幾何信息沒有任何要求，只使用了投影紋理映射和簡單的深度距離比較，相較于全局光照環(huán)境下的室內(nèi)場景的陰影渲染方法需要球面調(diào)和函數(shù)對場景中的物體進行逼近，預計算輻射度，該方法在實際應用中無需進行預計算處理，不會隨著場景中三維物體復雜度增加而增加，執(zhí)行效率高。
[0027]其次通過半影計算生成得到每個像素的百分比漸進濾波范圍并將與像素點半影測量寬度最接近的奇數(shù)值作為百分比漸進濾波的正方形模板的邊長。結(jié)合泊松碟采樣方法保證了各個采樣點之間不會離得太近，使采樣點分布更加均勻，同時仍然保持隨機性，能夠克服單純隨機采樣常常會造成采樣點過于聚集，或者過于分散的情況。
[0028]總體而言，本發(fā)明方法結(jié)合陰影映射圖與百分比漸進濾波技術(shù)實現(xiàn)虛擬室內(nèi)家裝的實時陰影效果渲染，不僅能夠生成具有真實感的家裝室內(nèi)設計中的陰影渲染，而且不會隨著場景中三維物體復雜度增加而增加，無需預處理能夠滿足實時應用需求。該技術(shù)對計算機虛擬現(xiàn)實在虛擬家裝領域的應用具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法的流程圖。
[0030]圖2沒有處于陰影中的深度距離比較示意圖。
[0031]圖3處于陰影中的深度距離比較示意圖。
[0032]圖4百分比漸近濾波示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0034]本發(fā)明的虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法，首先確定家裝室內(nèi)場景在攝像頭位置視角下的所有可見像素的深度值并存在紋理緩存中，在此基礎上構(gòu)建生成陰影映射圖，然后搜尋紋理緩存，從當前像素點的鄰域中找到所有比當前像素更靠近光源的像素點，并求取它們的深度距離平均值，然后根據(jù)所述深度距離平均值和光源的尺寸確定當前像素的阻隔區(qū)域，進而估算出半影測量寬度，接下來對所述陰影映射圖進行泊松碟形采樣，對采樣得到的每個像素點進行百分比漸進濾波處理，得到更新的陰影映射圖，最后將從攝像頭位置視角渲染的家裝室內(nèi)場景效果圖的像素值與更新的陰影映射圖中對應的紋理映射值相乘，生成場景效果圖。具體處理
[0035]本發(fā)明方法的具體流程步驟如下:
[0036](I)確定家裝室內(nèi)場景在攝像頭位置視角下的所有可見像素的紋理映射值，從而構(gòu)建生成陰影映射圖:
[0037]陰影是相對于光源不可見而觀察者卻可見的區(qū)域，由于場景中的物體和遮擋體之間存在遮擋關(guān)系，當遮擋體離光源的距離比物體離光源的距離要近的時候，物體就處在陰影之中了。因此，陰影映射圖方法的主要步驟就是確定場景中的物體，遮擋體及光源的遠近關(guān)系。
[0038]在光源坐標系下，以光源為視點對整個場景進行渲染，將整個場景渲染到深度緩存區(qū)，得到一幅所有物體相對于光源的深度距離圖，即陰影貼圖。陰影貼圖中記錄了沿光源入射方向，離光源最近的片元的深度距離值。由于這個步驟只對像素的深度信息感興趣，因此不需要做任何的光照計算。
[0039]在世界坐標系下，從攝像頭位置出發(fā)，對整個場景進行渲染，對每個攝像頭可見的像素，計算它到光源的距離。將這個值和深度距離圖中相應的值進行比較，以確定這個象素點是否處在陰影當中，根據(jù)比較的結(jié)果，對陰影之中的像素和陰影之外的像素分別進行不同的光照計算，可以獲得陰影效果。
[0040]為了判斷場景中的某一像素是否處于陰影中，必須進行深度距離值比較。深度距離值比較的原理:首先將該像素的坐標(x，y，z)從觀察空間轉(zhuǎn)換到光源空間坐標(X’，y’，z’)，然后比較z’值與存儲在陰影深度緩沖區(qū)內(nèi)(X’，y’ )位置上的深度距離值。如果像素的深度距離值等于陰影緩沖區(qū)中的值，說明該點與光源之間沒有任何遮擋體，該點將被照亮，如圖2所示。如果像素的深度距離值大于陰影紋理中所存儲的深度距離值，那就意味著從光源處看，有物體遮擋了該點，該點將處于陰影中，如圖3所示。
[0041]實現(xiàn)陰影映射圖需要圖形硬件提供紋理緩存和深度緩存，分為如下三步:
[0042]首先以光源為視點渲染場景，得到場景中每個像素的深度距離；
[0043]然后創(chuàng)建一個紋理作為深度距離表，并將獲得的深度距離寫入這個紋理中，作為深度距離值；
[0044]最后從視點位置，計算每個像素的深度距離，并將此深度距離與深度紋理中相對應的深度距離值進行比較，如距離值大于對應的深度距離，則該可見像素在陰影區(qū)域，否則在非陰影區(qū)域；
[0045]從陰影映射圖的實現(xiàn)步驟可知，方法的關(guān)鍵是深度距離測試與陰影映射圖的生成。深度距離測試存在陰影映射圖的訪問問題。陰影映射圖的訪問需要將視域空間下的坐標轉(zhuǎn)換到光源空間下的坐標。通常情況下，視點坐標由世界坐標系下的物體坐標經(jīng)過模型變換、視點的視圖變換而得，如公式(I)所示。同樣，光源空間下的坐標也可以由視點坐標反變換到世界坐標之后，再經(jīng)過光源空間下的視點變換、投影變換而得到。另外，由于陰影映射圖是一個紋理，它的紋理坐標被限制在[0，1]之間，因此由視點變換而得的光源坐標還應該乘上一個放縮矩陣。變換過程如公式(2)所示。通過矩陣變換可由物體空間坐標計算出該坐標所對應的紋理坐標。
【權(quán)利要求】
1.一種虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)確定家裝室內(nèi)場景在攝像頭位置視角下的所有可見像素的紋理映射值，從而構(gòu)建生成陰影映射圖，其中確定每個可見像素的紋理映射值的具體流程為: 首先以光源為視點渲染場景，得到場景中每個像素的深度距離并存入紋理緩存中； 然后從攝像頭位置出發(fā)，計算每個可見像素與光源的距離值，并將此距離值與深度紋理中存儲的對應可見像素的深度距離進行比較，如距離值大于對應的深度距離，則該可見像素在陰影區(qū)域，紋理映射值為O，否則在非陰影區(qū)域，紋理映射值為I ; (2)搜尋紋理緩存，按照如下方法確定每個像素的半影測量寬度:從當前像素點的鄰域中找到所有比當前像素更靠近光源的像素點，并求取它們的深度距離平均值dB1(xto，然后根據(jù)所述深度距離平均值dB1(Kto和光源的寬度，確定當前像素的阻隔區(qū)域，進而估算出半影測量寬度； (3)首先對所述陰影映射圖進行泊松碟形采樣，然后對采樣得到的每個像素點按照如下的百分比漸進濾波方法進行濾波處理，最終得到更新的陰影映射圖: 將與像素點半影測量寬度最接近的奇數(shù)值作為百分比漸進濾波的正方形模板的邊長，將模板中每個元素與模板中心距離的倒數(shù)設定為與該元素正相關(guān)的權(quán)值，然后進行百分比漸進濾波，更新像素點的紋 理映射值； (4)將由攝像頭視角渲染的家裝室內(nèi)場景效果圖中的像素值，與更新的陰影映射圖中對應的紋理映射值相乘，生成最后的場景效果圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法，其特征在于，所述步驟(2)中，根據(jù)下式估算半影測量寬度: Wr].W
"Penumbra ^iBlocker "Light? 其中，Wpmumbra為半影測量寬度，CUcto值為當前像素點的鄰域中所有比當前像素更靠近光源的像素點的深度距離平均值，wLight為光源的寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法，其特征在于，所述步驟(2)中，當前像素點的鄰域的尺寸設定為3X3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法，其特征在于，所述步驟(3)中的泊松碟形采樣中，將泊松碟形尺寸設定為5。
【文檔編號】G06T15/60GK103903296SQ201410166236
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】章品正, 姜曉彤, 盛玲, 尤肖虎 申請人:東南大學