本發(fā)明涉及計算機技術領域，具體為一種計算機實時素描渲染系統(tǒng)及其算法。

背景技術：

非真實感繪制技術是一種致力于生成不同手繪藝術風格的圖形渲染技術。目前非真實感繪制技術已經(jīng)在模擬素描、油畫、水彩畫、鋼筆畫、版畫等方面取得了長足的進步，其中素描畫是一種以鉛筆或固體礦物為色素顏料，在不特定紙上，以明暗為主，結合線條來表現(xiàn)立體效果，其計算機繪制的難點主要在于如何模擬手繪的輪廓線以及筆畫文理，該領域也一直是非真實感繪制技術的研究熱點之一。

在輪廓線繪制上，由于計算機繪制的線條具有精確性和統(tǒng)一性，因此計算機繪制的線條與手繪的線條相比顯得呆板生硬。為了表現(xiàn)不同的藝術風格渲染，采用了一種存儲單一的紋理筆觸，通過平鋪不同的紋理筆觸，達到繪制不同的藝術效果，但是該方法并沒有對計算機繪制的線條進行特殊處理。在輪廓線的檢測方法都是通過檢測物體的曲率來檢測出物體暗示線，通過檢測這樣的隱性輪廓線，更好的表達物體的空間結構，但是他們的工作僅僅包含輪廓線檢測，而為涉及不同風格的輪廓線繪制。采用三維空間輪廓線繪制不連續(xù)問題，其算法核心是利用輪廓線的連續(xù)性，重新拓撲繪制輪廓線，提高了輪廓線的繪制質(zhì)量。為了解決線條風格化渲染問題，采用了圖像分割的方法進行渲染繪制，但是仍然擺脫不了線條過于精確與統(tǒng)一的性質(zhì)，因此僅適合模擬簡筆畫。從輪廓線的連續(xù)性、寬度、alpha值變化等屬性考慮繪制輪廓線，繪制出來的輪廓線變現(xiàn)更為生動，在一定程度上實現(xiàn)了手繪線條的風格效果，但由于素描繪畫的輪廓線具有斷續(xù)性和重疊性，該方法并不適合素描畫風格渲染。為此，我們提出了一種計算機實時素描渲染系統(tǒng)及其算法投入使用，以解決上述問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種計算機實時素描渲染系統(tǒng)及其算法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種計算機實時素描渲染系統(tǒng)，該計算機實時素描渲染系統(tǒng)由場景數(shù)據(jù)文件模塊、渲染引擎、輸入模塊、輪廓線檢測模塊和三維模型生成模塊組成；

所述場景數(shù)據(jù)文件模塊用于加載和保存場景數(shù)據(jù)，并將場景數(shù)據(jù)文件上傳至所述渲染引擎中；

所述渲染引擎包括向量矩陣模塊、混合文本渲染模塊、照相機視圖體模塊、多定時器模塊、紋理圖像加載和紋理庫管理模塊與渲染應用通用模塊，所述向量矩陣模塊用于完成各種向量運算和矩陣運算功能；所述混合文本渲染模塊實現(xiàn)文本顯示功能，采用基于紋理映射的方式來顯示文本，在運行時動態(tài)改變字體和字體大??；所述照相機視圖體模塊實現(xiàn)三維渲染系統(tǒng)中的照相機模型和視圖體剪裁相關基本算法，為場景漫游、場景漫游路徑記錄與回放和層次性視圖體剪裁提供實現(xiàn)支持；所述多定時模塊用于完成基本的定時功能，提供8個獨立的時間計時器，并使用其中的兩個時間計時器來實現(xiàn)幀速顯示和幀速調(diào)控；所述紋理圖像加載和紋理庫管理模塊用于加載圖像文件到內(nèi)存中，生成紋理對象供場景渲染，并把一個場景模型中的所有紋理對象放進紋理庫中進行管理；所述渲染應用通用模塊為渲染應用系統(tǒng)提供一個基本的框架，并完成窗口初始化和渲染環(huán)境建立的通用功能；

所述輸入模塊包括鼠標輸入和鍵盤輸入，且所述渲染引擎的場景漫游操作由鍵盤控制；

所述輪廓線檢測模塊用于輪廓線的檢測與拆分，并對不同方向上的輪廓線進行紊亂處理；

所述三維模型生成模塊利用三維模型切線方向和副法線方向生成相應的方向場，并分別對帶有光影信息的基礎紋理進行線性卷積處理，輸出不同方向的線條紋理圖。

優(yōu)選的，所述輸入模塊的處理對于25幀/秒的渲染系統(tǒng)，其處理的相應時間為40毫秒。

優(yōu)選的，所述紋理圖像加載和紋理庫管理模塊支持bmp、tga和jpg三種圖像文件格式，并支持圖像文件格式擴展。

優(yōu)選的，一種計算機實時素描渲染算法，該計算機實時素描渲染算法的具體步驟如下：

S1：對輪廓線進行檢測與拆分，對不同方向的輪廓線進行紊亂處理；

S2：對輪廓線條進行線性卷積根據(jù)公式重新計算每個方向上的輪廓線像素點周邊像素的影響權重，式中f(x)為周邊像素點的影響權重，Γ為卡方方程的偏正態(tài)分布效果值，n為可影響當前像素的周邊像素個數(shù)；

S3：根據(jù)公式重新計算每個像素點的像素值，式中P₀是當前像素點的原始像素值，f(i)是由步驟S2中的公式計算出的周邊像素點的影響權重，N是拆解成不同方向的輪廓線總數(shù)，D′_t(i)是通過公式拆解成不同方向的輪廓線在周邊像素點i處的像素值；

S4：在三維模型空間中生成噪聲圖，通過利用三維空間位置坐標信息多次查詢得到合理的噪聲圖，并對三維坐標信息多次查詢得到的噪聲圖進行混合，得到最終的場景基礎紋理；

S5：在基礎紋理圖中，首先利用三維模型的切線方向和副法線方向生成相應的方向場，然后分別對帶有光影信息的基礎紋理圖進行線性卷積處理，得到不同方向的混合紋理圖，最后混合不同方向的線條紋理圖產(chǎn)生具有素描畫中線條疊加的效果紋理；

S6：混合輪廓線和紋理渲染的結果后，得到完整的素描化風格渲染。

優(yōu)選的，所述步驟S1中，在對輪廓線進行紊亂處理時，根據(jù)D′_t＝D_t(C′·x，C′·y)和的公式進行處理，式中C是原始像素點的坐標值，C′是經(jīng)過紊亂處理后的像素點坐標值，D_t(x,y)是拆解成不同方向的輪廓線圖像在(x,y)上的像素值，D′_t是經(jīng)過紊亂處理后的不同方向的輪廓線圖像，N是輪廓線被拆解方向的總數(shù)，O是當前像素點在原始輪廓線中的像素值，k是不同方向輪廓線的混合權重。

優(yōu)選的，所述步驟S5中，混合不同方向的線條紋理圖具有三個階段，第一階段渲染出三維模型切線方向的分布和副法線的分布，通過這兩份紋理計算出相應的LIC方向場；第二階段根據(jù)第一階段計算出的方向場對基礎紋理進行線性卷積計算；第三階段混合兩個方向的紋理圖得到具有疊加效果的紋理。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用卡方方程計算線條輕重分布解決計算機繪制線條呆板的問題，并利用多重渲染技術解決線性卷積噪聲算法對于線條疊加效果模擬較差的問題，本發(fā)明采用三維場景渲染到紋理的方法進行后處理，實現(xiàn)了高效實時渲染。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明工作流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1-2，本發(fā)明提供一種技術方案：一種計算機實時素描渲染系統(tǒng)，該計算機實時素描渲染系統(tǒng)由場景數(shù)據(jù)文件模塊、渲染引擎、輸入模塊、輪廓線檢測模塊和三維模型生成模塊組成；

所述場景數(shù)據(jù)文件模塊用于加載和保存場景數(shù)據(jù)，并將場景數(shù)據(jù)文件上傳至所述渲染引擎中；

所述渲染引擎包括向量矩陣模塊、混合文本渲染模塊、照相機視圖體模塊、多定時器模塊、紋理圖像加載和紋理庫管理模塊與渲染應用通用模塊，所述向量矩陣模塊用于完成各種向量運算和矩陣運算功能；所述混合文本渲染模塊實現(xiàn)文本顯示功能，采用基于紋理映射的方式來顯示文本，在運行時動態(tài)改變字體和字體大??；所述照相機視圖體模塊實現(xiàn)三維渲染系統(tǒng)中的照相機模型和視圖體剪裁相關基本算法，為場景漫游、場景漫游路徑記錄與回放和層次性視圖體剪裁提供實現(xiàn)支持；所述多定時模塊用于完成基本的定時功能，提供8個獨立的時間計時器，并使用其中的兩個時間計時器來實現(xiàn)幀速顯示和幀速調(diào)控；所述紋理圖像加載和紋理庫管理模塊用于加載圖像文件到內(nèi)存中，生成紋理對象供場景渲染，并把一個場景模型中的所有紋理對象放進紋理庫中進行管理；所述渲染應用通用模塊為渲染應用系統(tǒng)提供一個基本的框架，并完成窗口初始化和渲染環(huán)境建立的通用功能；

所述輸入模塊包括鼠標輸入和鍵盤輸入，且所述渲染引擎的場景漫游操作由鍵盤控制；

所述輪廓線檢測模塊用于輪廓線的檢測與拆分，并對不同方向上的輪廓線進行紊亂處理；

所述三維模型生成模塊利用三維模型切線方向和副法線方向生成相應的方向場，并分別對帶有光影信息的基礎紋理進行線性卷積處理，輸出不同方向的線條紋理圖。

其中，所述輸入模塊的處理對于25幀/秒的渲染系統(tǒng)，其處理的相應時間為40毫秒，所述紋理圖像加載和紋理庫管理模塊支持bmp、tga和jpg三種圖像文件格式，并支持圖像文件格式擴展。

本發(fā)明還提供了一種計算機實時素描渲染算法，該計算機實時素描渲染算法的具體步驟如下：

S1：對輪廓線進行檢測與拆分，對不同方向的輪廓線進行紊亂處理，在對輪廓線進行紊亂處理時，根據(jù)D′_t＝D_t(C′·x，C′·y)和的公式進行處理，式中C是原始像素點的坐標值，C′是經(jīng)過紊亂處理后的像素點坐標值，D_t(x,y)是拆解成不同方向的輪廓線圖像在(x,y)上的像素值，D′_t是經(jīng)過紊亂處理后的不同方向的輪廓線圖像，N是輪廓線被拆解方向的總數(shù)，O是當前像素點在原始輪廓線中的像素值，k是不同方向輪廓線的混合權重；

S2：對輪廓線條進行線性卷積根據(jù)公式重新計算每個方向上的輪廓線像素點周邊像素的影響權重，式中f(x)為周邊像素點的影響權重，Γ為卡方方程的偏正態(tài)分布效果值，n為可影響當前像素的周邊像素個數(shù)；

S3：根據(jù)公式重新計算每個像素點的像素值，式中P₀是當前像素點的原始像素值，f(i)是由步驟S2中的公式計算出的周邊像素點的影響權重，N是拆解成不同方向的輪廓線總數(shù)，D′_t(i)是通過公式拆解成不同方向的輪廓線在周邊像素點i處的像素值；

S4：在三維模型空間中生成噪聲圖，通過利用三維空間位置坐標信息多次查詢得到合理的噪聲圖，并對三維坐標信息多次查詢得到的噪聲圖進行混合，得到最終的場景基礎紋理；

S5：在基礎紋理圖中，首先利用三維模型的切線方向和副法線方向生成相應的方向場，然后分別對帶有光影信息的基礎紋理圖進行線性卷積處理，得到不同方向的混合紋理圖，最后混合不同方向的線條紋理圖產(chǎn)生具有素描畫中線條疊加的效果紋理，混合不同方向的線條紋理圖具有三個階段，第一階段渲染出三維模型切線方向的分布和副法線的分布，通過這兩份紋理計算出相應的LIC方向場；第二階段根據(jù)第一階段計算出的方向場對基礎紋理進行線性卷積計算；第三階段混合兩個方向的紋理圖得到具有疊加效果的紋理；

S6：混合輪廓線和紋理渲染的結果后，得到完整的素描化風格渲染。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。