本發(fā)明屬于計算機技術領域，涉及三維場景渲染，具體為一種差分陰影優(yōu)化方法。

背景技術：

輸電線路仿真培訓對提高電力員工的操作技能、防范傷亡事故以及確保電網的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。然而，由于電網特殊的作業(yè)環(huán)境，使得傳統(tǒng)的培訓方式已無法滿足電力安全培訓的需要。

在使用虛擬現(xiàn)實技術構建電力虛擬環(huán)境進行技能培訓中，輸電線路虛擬巡視仿真培訓系統(tǒng)再現(xiàn)輸電設施的結構和工作原理，使實踐教學不再局限于課堂和實驗室。虛擬現(xiàn)實技術使操作人員沉浸在計算機仿真的虛擬環(huán)境中，借助于系統(tǒng)，學員可以重復、安全地觀摩、演練，從各個角度全方位地觀察和操作。而在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)操作和交互要達到真實的效果，對系統(tǒng)的實時陰影計算提出了很高的要求。

現(xiàn)有技術常用的渲染手段是方差陰影貼圖VSM(variance shadow map)算法,而渲染中利用切比雪夫不等式對深度值進行濾波處理時，t為像素深度值，Pmax(t)為某個點周圍一定范圍內大于深度t的點的比率，VSM算法用上限值Pmax(t)近似模擬了實際比率P(t)來進行計算，但其實Pmax(t)>P(t)，只不過二者相差不大。但這個誤差依然會導致一些問題，最大的問題就是漏光問題。如果光線路徑中在很短的距離中出現(xiàn)了兩個以上的復雜物體，那么這樣的場景就非常容易出現(xiàn)漏光。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：仿真培訓教學系統(tǒng)的仿真場景需要盡量還原真實場景，而現(xiàn)有渲染技術采用的差分陰影貼圖VSM算法存在誤差，會導致漏光問題。

本發(fā)明的技術方案為：一種差分陰影優(yōu)化方法，用于仿真場景渲染，包括以下步驟：

1)首先獲取光源來繪制場景，使用方差陰影貼圖VSM方法第一次對場景進行渲染，渲染場景所有物體得到深度值，并存儲為兩個分量，分別寫入深度值z-Depth和深度值平方z-Depth²，計算深度值在[z-Depth，z-Depth²]范圍內的物體深度值期望μ和方差σ²，如公式(1)和(2)所示，

μ＝E(x)＝M₁ (1)

σ²＝E(x²)-E(x)²＝M₂-M₁² (2)

x表示像素點的深度值；

2)利用切比雪夫不等式對深度值進行濾波處理，對任意常數(shù)ε：

P()表示概率函數(shù)，令t＝E(x)+ε，且[t-E(x)]²≥E(x-E(x)²)＝σ²，得：

公式(4)不等式右半部分為Pmax(t)，得到深度值大于t的點，如果該點的經過第一次渲染得到的深度值小于t，那么將該點表示為陰影；

3)設置一個預分層函數(shù)，如公式(5)，在進行差分陰影貼圖計算前，先根據像素深度值的大小進行預分層處理：

式中：x為深度值；m_i，n_i為設定的第i層的上下界的值，通過預分層函數(shù)將所有像素深度值都壓縮在單位空間中；

4)每層單獨存儲各自的方差陰影貼圖VSM，根據分層后深度值所在的范圍來劃分渲染過程中像素所屬層，在對每一層的渲染處理中，如果當前層的深度值比t大，表示它沒有遮擋；

5)輸出整體場景的陰影效果。

作為優(yōu)選方式，考慮到系統(tǒng)實時計算的開銷，將全部像素深度值分為4層：[0，0.27]、[0.25，0.52]、[0.5，0.77]以及[0.75，1]，設置0.02的重疊量用于處理好相鄰層的邊界問題。

本發(fā)明改進了輸電線路仿真培訓系統(tǒng)陰影生成算法廣泛采用方差陰影貼圖(VSM)算法，針對VSM算法可能發(fā)生光漏的問題，提出一種通過預分層函數(shù)以達到對深度值的“分轄”控制，對深度值進行分段，判斷它屬于哪一層管轄的深度，然后由其管轄的層通過VSM算法計算其對應的陰影的方法。準確的實時陰影計算為輸電線路場景渲染了一個逼真的光影效果，為學員展現(xiàn)了一個高仿真，深入沉浸的虛擬輸電線路巡視培訓環(huán)境，體現(xiàn)了多學科與多領域的交叉性。本項發(fā)明將為電力系統(tǒng)仿真培訓中實時陰影算法奠定關鍵性的理論與應用基礎，具有非常好的應用前景。本發(fā)明適用于輸電線路仿真培訓系統(tǒng)中場景陰影實時生成算法，在輸電線路培訓領域中真實的光影效果不僅能增強學員的沉浸感和真實感，而且真實的光影效果能夠幫助學員更加清晰的感知線路設備的結構關系。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法步驟2)中的概率分布圖。

圖2為現(xiàn)有方法采用VSM算法生成的光影圖。

圖3本發(fā)明方法生成的光影圖。

具體實施方式

下面說明本發(fā)明方法的具體實施。

本發(fā)明方法為一種差分陰影算法的優(yōu)化，包括以下步驟：

1)首先獲取光源來繪制場景，第一次對場景進行渲染，渲染場景所有物體得到深度值，并存儲為兩個分量，分別寫入深度值z-Depth和深度值平方z-Depth²，計算[z-Depth，z-Depth²]范圍內的物體深度值期望和方差，如公式(1)和(2)所示，

μ＝E(x)＝M₁ (1)

σ²＝E(x²)-E(x)²＝M₂-M₁² (2)

x表示像素點的深度值；

2)利用切比雪夫不等式對深度值進行濾波處理，對任意常數(shù)ε：

令t＝E(x)+ε，且[t-E(x)]²≥E(|x-E(x)|²)＝σ²，可得：

公式(4)不等式右半部分就是Pmax(t)，即得到范圍內大于深度t的點，如果該點的深度值小于t，那么表示為陰影。

3)設置一個預分層函數(shù)，如公式(5)，在進行差分陰影貼圖計算前，先根據像素深度值的大小進行預分層處理：

式中：x為深度值；mi，ni為第i層的上下界。考慮到系統(tǒng)實時計算開銷太大，可將全部像素深度值分為4層：[0，0.27]、[0.25，0.52]、[0.5，0.77]、[0.75，1]，之所以要在每一層的區(qū)間設置0.02的重疊量，主要目的就是處理好相鄰層的邊界問題。通過預分層函數(shù)將所有像素深度值都壓縮在單位空間中。

4)每層單獨存儲各自的方差陰影貼圖VSM，根據分層后深度的范圍來劃分渲染過程中像素管理所屬層。在每一層處理程序中，如果當前層的深度值比t大，表示它沒有遮擋；

5)輸出整體場景的陰影效果。

為了測試本發(fā)明改進后VSM算法的有效性，選取了一個典型易發(fā)生漏光的三維場景，屏幕分辨率為1920*1200，幀速為85fps。對比圖2和3可以看出，改進前由于室外有物體遮擋光線，當光線繼續(xù)照射房屋時，本來不應該出現(xiàn)在室內的光斑卻出現(xiàn)在室內，明顯不符合真實的光影效果，給觀察者造成了視覺的誤差。改進后的陰影圖算法有效克服了漏光問題，從而獲得高質量的陰影效果。

本發(fā)明技術是充分研究VSM算法的基礎上，分析了其算法在出現(xiàn)多重遮擋的情況下出現(xiàn)漏光的原因，并針對漏光問題，對算法進行了改進，當檢測到部分像素的深度值差值偏大時，即陰影效果中出現(xiàn)漏光，步驟3)的分層將這些像素分到倆層，從而徹底消除兩者的相互影響，通過分層處理后偏離程度被大大降低，因此方差減小了許多，從而有效降低了漏光的發(fā)生。