CN101493952A - 一种3d地形渲染方法和渲染装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D地形渲染方法，根据视距确定地形块当前的层次细节LOD级别；根据视距和预设的所述地形块当前LOD级别对应的渐变区间计算渐变参数，使用渐变参数对所述地形块的顶点高度值进行修正；选取比所述地形块当前LOD级别高一精度级别的网格模型并使用所述修正后的顶点高度值对地形块进行渲染。该方法和装置使修正后的地形块数据根据视点变化而连续变化，即使地形块的LOD级别发生变化，也不会产生地形“跳动”现象。本发明同时公开了一种3D地形渲染装置。

Description

一种3D地形渲染方法和渲染装置

技术领域

本发明涉及3维(3D)技术领域，特别涉及一种3D地形渲染方法和渲染装置。

背景技术

3D地形渲染是指对3D模型化的地形进行着色、顶点变换、贴图等操作。在3D地形渲染中，为了减轻渲染的处理负担，出现了一种细节层次(LOD，Level Of Detail)技术。LOD技术将地形渲染划分为多种不同精细级别，离视点较近即视距较小的地形使用较高的细节进行渲染，离视点较远即视距较大的地形使用较低的细节渲染。

在3D地形渲染中，一般是先把完整地形分成等大的小地形块，每个地形块根据其平面网格模型和顶点数据来进行渲染。平面网格模型是一个类似围棋棋盘的格子模型，网格中每个交点都具有一组顶点数据，顶点数据中包含高度、亮度、色度等数值。平面网格模型越精细，网格中包含的顶点越多，细节越高。例如16×16、8×8、4×4、2×2、1×1的不同精细程度的平面网格模型可以对应0～4共5种不同的LOD级别。

现有的3D地形渲染时，首先要加载预先编辑好的完整地形中所有地形块的各种LOD级别下的平面网格模型和相应的顶点数据，然后根据地形块的视距计算出在该视点下每个地形块的LOD级别，并根据LOD级别，选用对应的平面网格模型及相应的顶点数据对地形块进行渲染。这种预先编辑好平面网格模型和相应的顶点数据的渲染方法又可称为静态LOD渲染。

同一个地形块的LOD级别是随着视距的变化而变化的，视距越大其LOD级别越低，视距越小其LOD级别越高，以平衡视觉效果与计算量。但是，由于同一个地形块的不同的LOD级别对应的平面网格模型和顶点数据是不同的，当LOD级别变化时，该地形块的顶点高度、亮度、色度等参数将会发生突变，使渲染出来的地形块的几何形态、光照、颜色等可能会突然改变，从而使渲染出来的3D地形产生明显的地形“跳动”现象，严重影响渲染效果。

发明内容

本发明实施例提供一种3D地形渲染方法，可以消除地形“跳动”现象。

本发明实施例提供一种3D地形渲染装置，可以消除地形“跳动”现象。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种3D地形渲染方法，该方法包括：

根据视距确定地形块当前的层次细节LOD级别；

根据视距和预设的所述地形块当前LOD级别对应的渐变区间计算渐变参数，使用渐变参数对所述地形块的顶点高度值进行修正；

选取比所述地形块当前LOD级别高一精度级别的网格模型并使用所述修正后的顶点高度值对地形块进行渲染。

一种3D地形渲染装置，该装置包括：

LOD确定模块，用于根据视距确定地形块当前的LOD级别；

数据修正模块，用于根据视距和预设的所述地形块当前LOD级别对应的渐变区间计算渐变参数，使用渐变参数对所述地形块的顶点高度值进行修正；

渲染模块，与所述数据修正模块和LOD确定模块相连，用于选取比所述LOD确定模块确定的地形块当前LOD级别高一精度级别的网格模型并使用所述数据修正模块修正后的顶点高度值对地形块进行渲染。

由上述的技术方案可见，本发明的3D地形渲染方法和装置，根据视距确定地形块当前的层次细节LOD级别；根据视距和预设的所述地形块当前LOD级别对应的渐变区间计算渐变参数，使用渐变参数对所述地形块的顶点高度值进行修正；选取比所述地形块当前LOD级别高一精度级别的网格模型并使用所述修正后的顶点高度值对地形块进行渲染。该方法和装置使修正后的地形块数据根据视点变化而连续变化，即使地形块的LOD级别发生变化，也不会产生地形“跳动”现象，另外，通过使用顶点着色器Vertex Shader实现地形块数据的动态修正，渲染效率很高。

附图说明

图1为本发明实施例的3D地形渲染方法流程图；

图2为高精度地形块模拟低精度地形块的原理示意图；

图3为本发明实施例的3D地形渲染装置示意图；

图4为本发明实施例的LOD确定模块具体结构示意图；

图5为本发明实施例的数据修正模块具体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明主要是采用比地形块的当前LOD级别高一精度级别的LOD级别对应的地形块数据，通过连续渐变方式对地形块进行渲染，使用高精度的地形块模型模拟低精度的地形块，当高精度的地形块和低精度的地形块的形态完全一样时，地形块的LOD级别才变为低精度。

图1为本发明实施例的3D地形渲染方法流程图，如图1所示，该流程包括：

步骤101，根据视距确定地形块当前的LOD级别。

确定LOD级别的具体方法可以为：预先为每个LOD级别设置一个渐变区间，通过判断地形块的视距落在哪个渐变区间内，确定该地形块的LOD级别。例如预先设置0～100的视距为LOD0级，也就是最高精度，101～200的视距为1级，201～300为2级，以此类推；具体LOD级别分为多少级，每级的渐变区间任意。当然，确定LOD级别还可以采用现有其他方式，这里不再赘述了。

步骤102，根据视距和预设的所述地形块当前LOD级别对应的渐变区间计算渐变参数，使用渐变参数对所述地形块的顶点高度值进行修正。

对地形块的渲染需要用到多种数据，例如顶点数据中的顶点高度值、顶点亮度值、顶点色度值等，其中顶点高度值用于3D地形的几何形态的渲染，也是产生图像“跳动”的主要因素，因此这里以顶点高度值的修正为例。渐变参数的计算和具体的数值修正方法将在下文中详细描述。

步骤103，选取比所述地形块当前LOD级别高一精度级别的网格模型并使用所述修正后的顶点高度值对地形块进行渲染。

由于现有的静态LOD渲染方法中，每个地形块在所有LOD级别下的地形数据都是预先编辑好的，在进行3D地形渲染前，这些地形块数据都要载入到缓冲中。本步骤中，将调用高一精度级别LOD，即更高精度的地形块网格模型来模拟确定的地形块，当然，如果当前地形块的LOD级别已经是最高级了，那么调用的还是最高级的网格模型。本步骤中的渲染仍然采用任意现有技术即可，只是用于渲染的顶点高度值需要使用修正后的数值。

下面将详细阐述本发明的原理及渐变参数的计算和具体的数值修正方法。

图2为高精度地形块模拟低精度地形块的原理示意图，如图2所示：一个高精度地形块(图2中为一个精度4×4的地形块)，其中虚线部分的顶点高度在精度4×4时为H1，而当地形块精度变为2×2时其高度为H2，现有地形渲染方法中，当该地形块的LOD级别变化时，虚线部分的顶点高度将会发生突变，而本发明实施例中，通过一个渐变过程，让其高度H1改变到H2是渐变完成的，观察者就不会感到明显的突变了。具体实现时，本发明实施例中预先为每一个LOD级别设置一个渐变区间，然后根据视距和渐变区间计算一个渐变参数t，其取值范围为[0，1]，然后根据这个渐变参数对H1进行修正，修正后的顶点高度值H为：

H＝H1+(H2-H1)×t；

其中，H为修正后的地形块数据中的顶点高度值，H1为高精度时的顶点高度值，H2为低精度时的顶点高度值；t为渐变参数。

其中渐变参数t的计算方法可以为：

t＝(S-S0)/S1；

其中，t为渐变参数，S为地形块与视点的距离，S0为低精度时地形块所设置的渐变区间的起始值，S1为渐变区间中起始值和终止值之间的差值也就是渐变区间的区间范围。

例如：设置视距为0～100时LOD级别为0即精度为16×16，视距为100-200时LOD级别为1，其精度为8×8，那么当其渐变参数t在视距为150时的值t＝(150-100)/(200-100)＝0.5。这里还要注意一点就是要保证LOD级别的下一级和上一级之间所设置的渐变区间的端点值应该能连接上，即所有LOD级别之间设置的渐变区间是连续的不应有间隔。设置渐变区间两端的端点值可以相同，如果相同，则在确定LOD级别时，可以将LOD级别确定为精细程度高的。

上述渐变参数和定点高度值的修正公式是原理公式，对于上述原理公式的各种变形公式也是可以实现的，其原理是利用渐变参数对定点高度值进行修正，其他利用该原理设计的具体公式还有很多，这里就不一一赘述了。

另外，在本发明实施例的具体实现时，因为地形块的模型在事先已经构建好了，其中顶点高度值等已经事先存到顶点缓冲内，那么在具体进行地形渲染时，可以把修正高度值的计算放到显卡的Vertex Shader去做，由于现有显卡的顶点处理能力非常强，多计算一下高度值，对渲染速度几乎没有影响，从而达到较高的渲染效率。具体使用Vertex Shader实现定点高度值修正的方法如下：

因为在Vertex Shader内一次能同时处理4个浮点数，因此可以把地形的LOD级别设置为0～4共5级，级别数字越小表示精度越高。LOD级别变换时最多只能变换1级，也就是说LOD级别变换总共有0～1，1～2，2～3，3～4。其中0为最高精度，4为最低精度。设最低精度时变为1×1的网格，那么最高精度的网格应该是16×16。所以需要事先把地形分为16×16的小地形块，同时在存储顶点数据时，除了顶点高度值外，还要存储0～1，1～2，2～3，3～4，四个LOD级别变换的高度差，用于在Vertex Shader内最后计算高度值。顶点的高度差值，用一个32位的浮点数就可以存储。

在顶点缓冲数据准备好后，在Vertex Shader计算前还需要两个参数：MorphStart和MorphRange。其中MorphStart表示渐变区间的起始值，相当于上述的S0，MorphRange表示渐变区间的区间范围，相当于上述的S1。这两个参数都是一个4维的向量，用来描述4个LOD级别的变换。

最后在Vertex Shader内计算顶点的高度值的公式如下：

首先计算4种LOD级别变换时的渐变参数：

float4 morph＝saturate((viewDist-MorphStart)/MorphRange)；

其中，float4 morph表示4种LOD级别变换时的渐变参数，viewDist为视距，MorphStart为所述渐变区间的起始值，MorphRange为所述渐变区间的区间范围；saturate函数的功能是把取值范围限制在闭区间[0，1]内。

然后计算4种LOD级别变换时的修正值，并以最高精度的顶点高度值为基准，与4个修正值进行叠加，得到顶点在当前LOD级别变换下修正后的高度值：

float height＝h0+dot(moprh，hDiff)；

其中，float height表示顶点在当前LOD级别变换下修正后的高度值，h0为最高精度LOD级别的顶点高度值，moprh为渐变参数，hDiff为LOD级别变换时的顶点高度差，可以取上述0～1，1～2，2～3，3～4，四个精度变换的高度差，dot函数的功能是将moprh和hDiff做点积计算，相当于morph.x×hDiff.x+moprh.y×hDiff.y+morph.z×hDiff.z+morph.w×hDiff.w，即4组morph值与hDiff值分别相乘后再相加。

上述公式的含义和原理与步骤103中描述的渐变参数和对顶点高度值的修正公式实际上是一样的，只不过具体在Vertex Shader内实现时，采用了高度值叠加修正的方式，即分别计算顶点在4种LOD级别变换时的渐变参数和修正值，并以最高精度LOD级别的顶点高度值为基准，与4个修正值进行叠加，得到顶点在当前LOD级别变换下修正后的高度值。

以进行LOD级别1～2的变换为例，此时视距是落在LOD级别2的渐变区间之间，此时分别计算4种精度变换时的morph值，即(viewDist-MorphStart)/MorphRange，最终float4 morph的结果将为(1，t，0，0)，其中1为0～1变换时的morph值，t为1～2变换时的morph值，之后分别是2～3及3～4变换时的morph值。2～3，3～4变换时，由于视距小于LOD级别3和4的渐变区间，即(viewDist-MorphStart)为负数，经过saturate函数处理后morph值变为0，而0～1时，viewDist大于LOD级别0的渐变区间，因此(viewDist-MorphStart)/MorphRange的值大于1，经过saturate函数处理后morph值变为1，然后使用dot函数进行运算，即4种精度变换时的顶点高度差hDiff分别与其对应的morph值相乘后再相加，得到当前视距下，4种精度变换叠加的修正值，再与最高精度的高度值相加，正好得到最后需要的修正后的高度值。

上述的公式的巧妙之处在于将对4种精度变换时的参数修正计算进行了统一，无需考虑当前变换为4种精度变换中的哪一种，且使用了现有的函数，因此在Vertex Shader中应用时只需多出5条左右的指令，运行效率很高。当然也可以采用对4种精度变换进行判断后再计算修正参数的方式实现。

利用Vertex Shader计算渐变参数和对顶点高度值的修正时，可以利用现有函数实现上述原理公式的计算，本例仅为较佳的实施方式，其他实现上述原理公式计算的方法还有很多，可以根据具体需要而定，这里就不再赘述了。

图3为本发明实施例的3D地形渲染装置示意图，如图3所示，该装置包括：

LOD确定模块301，用于根据视距确定地形块当前的LOD级别；

数据修正模块302，用于根据视距和预设的所述地形块当前LOD级别对应的渐变区间计算渐变参数，使用渐变参数对所述地形块的顶点高度值进行修正；

渲染模块303，与所述数据修正模块302和LOD确定模块301相连，用于选取比所述LOD确定模块301确定的地形块当前LOD级别高一精度级别的网格模型并使用所述数据修正模块302修正后的顶点高度值对地形块进行渲染。

图4为本发明实施例的LOD确定模块具体结构示意图，如图4所示，所述LOD确定模块301包括：

区间设置单元401，用于预先为每个LOD级别设置一个渐变区间；

LOD判定单元402，与所述区间设置单元401相连，通过判断视距所处的渐变区间，确定该地形块的LOD级别。

图5为本发明实施例的数据修正模块具体结构示意图，如图5所示，所述数据修正模块302包括：

渐变参数计算单元501，用于根据公式t＝(S-S0)/S1计算渐变参数；

其中，t为渐变参数，S为视距，S0为所述渐变区间的起始值，S1为所述渐变区间的区间范围；

高度修正单元502，与所述渐变参数计算单元501相连，用于根据公式H＝H1+(H2-H1)×t对地形块的顶点高度值进行修正；

其中，H为修正后的顶点高度值，H1为比所述地形块当前LOD级别高一精度级别的LOD级别对应的顶点高度值，H2为所述地形块当前LOD级别对应的顶点高度值；t为渐变参数。

较佳地，数据修正模块302可以采用顶点着色器实现，例如所述LOD级别分为5级，共4种LOD级别变换；

渐变参数计算单元501具体可以根据公式：float4 morph＝saturate((viewDist-MorphStart)/MorphRange)，计算顶点在4种LOD级别变换时的渐变参数；

其中，float4 morph表示4种LOD级别变换时的渐变参数，viewDist为视距，MorphStart为所述渐变区间的起始值，MorphRange为所述渐变区间的区间范围；saturate函数是把取值范围限制在闭区间[0，1]内；

高度修正单元502具体可以根据公式：float height＝h0+dot(moprh，hDiff)，计算4种LOD级别变换时的修正值，并以最高精度的顶点高度值为基准，与4个修正值进行叠加，得到顶点在当前LOD级别变换下修正后的高度值；

其中，float height表示顶点在当前LOD级别变换下修正后的高度值，h0为最高精度LOD级别的顶点高度值，moprh为渐变参数，hDiff为LOD级别变换时的顶点高度差，dot函数是将moprh和hDiff做点积计算。

本发明实施例的3D渲染装置可以采用电脑或服务器等设备实现，其中各模块可以集成于同一电脑或服务器内，具体地，顶点着色器可以采用显卡实现。

由上述的实施例可见，本发明的这种3D地形渲染方法和装置，根据视距确定地形块当前的层次细节LOD级别；根据视距和预设的所述地形块当前LOD级别对应的渐变区间计算渐变参数，使用渐变参数对所述地形块的顶点高度值进行修正；选取比所述地形块当前LOD级别高一精度级别的网格模型并使用所述修正后的顶点高度值对地形块进行渲染。该方法和装置使修正后的地形块数据根据视点变化而连续变化，即使地形块的LOD级别发生变化，也不会产生地形“跳动”现象，另外，通过使用顶点着色器VertexShader实现地形块数据的动态修正，渲染效率很高。

所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1、一种3D地形渲染方法，其特征在于，该方法包括：

根据视距确定地形块当前的层次细节LOD级别；

根据视距和预设的所述地形块当前LOD级别对应的渐变区间计算渐变参数，使用渐变参数对所述地形块的顶点高度值进行修正；

选取比所述地形块当前LOD级别高一精度级别的网格模型并使用所述修正后的顶点高度值对地形块进行渲染。

2、如权利要求1所述的3D地形渲染方法，其特征在于，所述根据地形块与视点的距离确定地形块的LOD级别包括：

预先为每个LOD级别设置一个渐变区间，通过判断视距所处的渐变区间，确定该地形块的LOD级别。

3、如权利要求2所述的3D地形渲染方法，其特征在于，所述渐变参数的计算方法包括：

t＝(S-S0)/S1；

其中，t为渐变参数，S为视距，S0为所述渐变区间的起始值，S1为所述渐变区间的区间范围。

4、如权利要求3所述的3D地形渲染方法，其特征在于，所述使用渐变参数对所述地形块的顶点高度值进行修正的方法包括：

H＝H1+(H2-H1)×t；

其中，H为修正后的顶点高度值，H1为比所述地形块当前LOD级别高一精度级别的LOD级别对应的顶点高度值，H2为所述地形块当前LOD级别对应的顶点高度值；t为渐变参数。

5、如权利要求1～4所述的3D地形渲染方法，其特征在于，所述LOD级别分为5级，共4种LOD级别变换。

6、如权利要求5所述的3D地形渲染方法，其特征在于，所述计算渐变参数及对顶点高度值进行修正采用顶点着色器Vertex Shader实现，具体实现方法包括：

分别计算顶点在4种LOD级别变换时的渐变参数和修正值，并以最高精度LOD级别的顶点高度值为基准，与4个修正值进行叠加，得到顶点在当前LOD级别变换下修正后的高度值。

7、如权利要求6所述的3D地形渲染方法，其特征在于，所述计算4种LOD级别变换时的渐变参数采用以下公式：

float4 morph＝saturate((viewDist-MorphStart)/MorphRange)；

其中，float4 morph表示4种LOD级别变换时的渐变参数，viewDist为视距，MorphStart为所述渐变区间的起始值，MorphRange为所述渐变区间的区间范围；saturate函数是把取值范围限制在闭区间[0，1]内；

所述计算4种LOD级别变换时的修正值，并以最高精度的顶点高度值为基准，与4个修正值进行叠加，得到顶点在当前LOD级别变换下修正后的高度值，采用以下公式：

float height＝h0+dot(moprh，hDiff)；

其中，float height表示顶点在当前LOD级别变换下修正后的高度值，h0为最高精度LOD级别的顶点高度值，moprh为渐变参数，hDiff为LOD级别变换时的顶点高度差，dot函数是将moprh和hDiff做点积计算。

8、一种3D地形渲染装置，其特征在于，该装置包括：

LOD确定模块，用于根据视距确定地形块当前的LOD级别；

数据修正模块，用于根据视距和预设的所述地形块当前LOD级别对应的渐变区间计算渐变参数，使用渐变参数对所述地形块的顶点高度值进行修正；

渲染模块，与所述数据修正模块和LOD确定模块相连，用于选取比所述LOD确定模块确定的地形块当前LOD级别高一精度级别的网格模型并使用所述数据修正模块修正后的顶点高度值对地形块进行渲染。

9、如权利要求8所述的3D地形渲染装置，其特征在于，所述LOD确定模块包括：

区间设置单元，用于预先为每个LOD级别设置一个渐变区间；

LOD判定单元，与所述区间设置单元相连，通过判断视距所处的渐变区间，确定该地形块的LOD级别。

10、如权利要求9所述的3D地形渲染装置，其特征在于，所述数据修正模块包括：

渐变参数计算单元，用于根据公式t＝(S-S0)/S1计算渐变参数；

其中，t为渐变参数，S为视距，S0为所述渐变区间的起始值，S1为所述渐变区间的区间范围；

高度修正单元，与所述渐变参数计算单元相连，用于根据公式H＝H1+(H2-H1)×t对地形块的顶点高度值进行修正；

其中，H为修正后的顶点高度值，H1为比所述地形块当前LOD级别高一精度级别的LOD级别对应的顶点高度值，H2为所述地形块当前LOD级别对应的顶点高度值；t为渐变参数。

11、如权利要求10所述的3D地形渲染装置，其特征在于，所述数据修正模块为顶点着色器，所述LOD级别分为5级，共4种LOD级别变换；

所述渐变参数计算单元用于根据公式：float4 morph＝saturate((viewDist-MorphStart)/MorphRange)，计算顶点在4种LOD级别变换时的渐变参数；

其中，float4 morph表示4种LOD级别变换时的渐变参数，viewDist为视距，MorphStart为所述渐变区间的起始值，MorphRange为所述渐变区间的区间范围；saturate函数是把取值范围限制在闭区间[0，1]内；

所述高度修正单元用于根据公式：float height＝h0+dot(moprh，hDiff)，计算4种LOD级别变换时的修正值，并以最高精度的顶点高度值为基准，与4个修正值进行叠加，得到顶点在当前LOD级别变换下修正后的高度值；

其中，float height表示顶点在当前LOD级别变换下修正后的高度值，h0为最高精度LOD级别的顶点高度值，moprh为渐变参数，hDiff为LOD级别变换时的顶点高度差，dot函数是将moprh和hDiff做点积计算。

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