CN101527051A - 基于大气散射原理对天空进行渲染的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大气散射原理对天空进行渲染的方法，用于生成网络游戏场景中的天空，A.判断是否满足渲染更新条件，若不满足，则转至步骤C，否则执行步骤B；B.以当前视点为原点，生成参与散射计算极坐标球形模型，将需要参与散射计算的极坐标模型按照水平角分为m等份，按照高度角分为n等份，这样所述参与散射计算的极坐标球形模型被分为m×n个空间角单元；对于所述每一个空间角单元采用相位计算、粒子对光线吸收和粒子对光线散射的计算公式进行计算，将计算结果保存为m×n大小的贴图缓冲上，所述m和n为自然数；C.根据当前太阳方向在水平面上的偏移量将所得到贴图缓冲映射到实际显示的天空图像。本发明还公开了对天空进行渲染的装置。

Description

基于大气散射原理对天空进行渲染的方法和装置

技术领域

本发明涉及图形及图像处理技术领域，特别涉及一种基于大气散射原理对天空进行渲染的方法和装置。

背景技术

多人参与的网络游戏往往需要构造一个视觉上接近真实的虚拟世界并呈现在显示设备上，游戏玩家从中获得身临其境的感受。虚拟世界中大量存在户外场景，在显示虚拟世界的天空时，需要考虑真实的物理规律，其中最重要的一点是要考虑大气散射原理对天空的影响。散射的计算能够满足网络游戏的连续时间空间的需要，能够大大提高游戏视觉表现力和游戏性。能够为其他的特效例如体积雾，光柱，水体反射，散射，提供写实氛围的环境光源。

大气散射主要包括如下物理规律：

1)瑞利散射(Rayleigh Scattering)，这是分子级别的散射方式，对不同色彩的光线散射吸收不同，长波长的光线被吸收较多，短波长光线的散射率较高。

2)(Mie Scattering)是对较大颗粒发生的散射方式，看起来比较灰暗的散射，当Mie Scattering比较大的时候比如沙尘暴，太阳周围会出现光环。

散射的计算需要考虑的三个方面：粒子对光线的吸收(In-Scattering)、粒子的对光线的散射(Out-Scattering)以及相位计算(Phase Function)。

In-Scattering的计算公式为：

$t(P_a{P}_b,\mathrm{\λ})=4\mathrm{\π}\×K\left(\mathrm{\λ}\right)\×{\∫}_{P_a}^{P_b}\exp \left(\frac{-h}{H_0}\right)\mathrm{ds}$

Out-Scattering的计算公式为：

$I_p\left(\mathrm{\λ}\right)=I_i\left(\mathrm{\λ}\right)\×K\left(\mathrm{\λ}\right)\×F(\mathrm{\θ},g)\×{\∫}_{P_a}^{P_b}[\exp \left(\frac{-h}{H_0}\right)\×\exp (-t({\mathrm{PP}}_c,\mathrm{\λ})-t({\mathrm{PP}}_a,\mathrm{\λ}))]\mathrm{ds}$

Phase Function的计算公式(Henyey-Greenstein公式)为：

$F(\mathrm{\θ},g)=\frac{3\×(1-g^2)}{2\×(2+g^2)}\×\frac{1+{\cos }^2\mathrm{\θ}}{{(1+g^2-2\×g\×\cos \mathrm{\θ})}^{\frac{3}{2}}}$

上述公式中各个符号的含义如图1所示：

g：散射对称性常量

θ：散射位角AB和P(n)C之间的夹角

P_a，P_b视点方向上的采样点

h：采样高度

H₀：大气平均密度数值对应的大气的高度值

λ：散射光波的波长

现有的基于大气散射原理对天空进行渲染的方法包括：

GPU Gems2方法：基于Mr.Sean O‘Neil的散射计算模型，该模型中考虑到上述In-Scattering、Out-Scattering以及Phase Function相关的大气计算公式，利用图形处理器(GPU)实时渲染全天空的散射。该算法必须对每一帧显示画面都进行渲染，而一秒钟通常显示30帧，顶点渲染(VertexShader)的指令长度超过100条，像素渲染(Pixel Shader)的指令有27条之多，相当于渲染两个复杂模型并且使用法线和Phong Shading的负载。该方案对于负载的要求太高，对于以场景复杂度为主要压力的大规模网络游戏来讲，高负载的天空渲染是不能够承受的。

Crysis方法：使用中央处理器(CPU)和把计算分担到数帧的渲染方式计算散射，然后缓存到贴图，利用计算好的贴图信息渲染每一帧，太阳区域进行额外的实时散射渲染。该方法并不每一帧都计算散射值而使用渲染到贴图(Render to Texture)的技术，计算一次之后，把保存到贴图的散射信息直接渲染到天空球。但是该方法没有解决高频率的太阳的细节在较低分辨率上的重现问题。该问题的原因在于，由于硬件差值采样是基于线性优化过的，所以自行完成其他的方式采样会导致速度降低，较低的网格的差值运算会导致色块产生。高网格的光栅化的代价又无法接受。需要保证对高动态范围(HDR)的支持，对高亮度的细节要求又比较高，这一部分他们只能重新渲染。对于这一问题，该方案的做法就是每一帧重新渲染太阳区域的这一部分散射，然后把计算的结果和生成的图混合，能够完成比较好的效果。但是该方法的散射计算是负载到CPU上的，虽然并不需要一帧内完成，这个对于CPU的负载还是较大的，在日出日落的时候，散射状况变化很大，更新频率较高，CPU压力增大，会导致渲染速度更新不及时。当在渲染太阳和天空的散射优化图的时候，也需要每帧稳定的两次以上的draw call。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提出一种基于大气散射原理对天空进行渲染的方法和装置，可以在较低配置的客户端上流畅运行，同时能够保证所得到天空符合物理的大气散射规律。

本发明实施例提出的基于大气散射原理对天空进行渲染的方法，包括如下步骤：

A、判断是否满足渲染更新条件，若不满足，则转至步骤C，否则执行步骤B；

B、以当前视点为原点，生成参与散射计算极坐标球形模型，将需要参与散射计算的极坐标球形模型按照水平角分为m等份，按照高度角分为n等份，这样所述参与散射计算的极坐标球形模型被分为m×n个空间角单元；对于所述每一个空间角单元采用相位计算、粒子对光线吸收和粒子对光线散射的计算公式进行计算，将计算结果保存为m×n大小的贴图缓冲，所述m和n为自然数；

C、根据当前太阳方向在水平面上的偏移量将所得到贴图缓冲映射到实际显示的天空图像。

所述渲染更新条件为满足如下任意一个条件：

首次进行天空渲染；

距离上一次进行天空渲染的时间达到了预设时间阈值；

视点的高度变化达到预设高度阈值。

较佳地，所述m＝n＝256。

所述参与散射计算极坐标球形为：以视点与太阳连线所在的垂直平面为对称平面，将天空分为相互对称的两个四分之一球。

所述根据当前太阳方向在水平面上的偏移量将所得到贴图映射到实际显示的天空图像包括：

将所述贴图做一次渲染得到当前的二分之一天空散射图；

将已得到二分之一天空散射图利用对称的极坐标，得到另外二分之一天空散射图。

本发明实施例提出的基于大气散射原理对天空进行渲染的装置包括：

更新判断模块，用于根据游戏场景判断是否满足渲染更新条件，若是则通知贴图计算模块计算新的贴图；

贴图计算模块，用于根据更新判断模块的通知，以当前视点为原点，生成参与散射计算极坐标球形，将需要参与散射计算的极坐标球形按照水平角分为m等份，按照高度角分为n等份，这样所述四分之一球形被分为m×n个空间角单元；对于所述每一个空间角单元采用相位计算、粒子对光线吸收和粒子对光线散射的计算公式进行计算，将计算结果保存为m×n大小的贴图，所述m和n为自然数；

映射模块，用于计算出当前太阳方向在水平面上的偏移量，根据当前太阳方向在水平面上的偏移量将贴图计算模块所得到贴图映射到实际显示的天空图像。

从以上技术方案可以看出，按照是否满足渲染更新条件来计算新的渲染贴图，可以将图像分为更新渲染帧和非更新渲染帧两类，其中非更新渲染帧无需重新计算贴图，计算量很小；而更新渲染帧所计算的贴图缓存大小与天空在屏幕上占据的大小无关，与屏幕的分辨率无关，与现有技术相比，极大地降低了计算量，因此可以在较低配置的客户端上流畅运行。

附图说明

图1为大气散射原理示意图；

图2为本发明实施例中参与散射计算的天空四分之一极坐标球形模型示意图；

图3为本发明实施例提出的对天空进行渲染的方法的实现流程图；

图4为本发明实施例提出的对天空进行渲染的装置框图。

具体实施方式

本发明提出的对天空进行渲染的方案，针对网络游戏的特点采取相应的处理措施：

1、户外渲染占游戏场景的比重较大。天空占据户外渲染的屏幕的比重比较大，Pixel Shader的运算负担比较大，而对于天空细节的分辨要求不是很高。因此本发明方案针对预先设置的固定大小的贴图，可以极大降低计算量，并且保持计算量在不同分辨率下恒定。

2、时间变化基于真实世界的时间或者以一定的比例和真实世界的时间相对应。散射更新较缓慢。时间的变化在写实的自然环境下很缓慢。太阳每一度的位置变化并不显著。渲染可以制定一个固定长度的时间间隔来进行更新贴图。此外，由于现阶段网络游戏的空战的内容受到游戏种类本身的限制，可以在视点变化一定的高度，更新一次渲染贴图；或者在一个负载不大的渲染帧更新贴图。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述。

本发明实施例提出的对天空进行渲染的方法的实现流程如图3所示，包括如下步骤：

步骤301：判断是否满足渲染更新条件，若不满足，则使用当前已得到的贴图，并转至步骤305；若满足渲染更新条件，则转至步骤302。

所述渲染更新条件为满足如下任意一个条件：

首次进行天空渲染；

距离上一次进行天空渲染的时间达到了预设时间阈值；

视点的高度变化达到预设高度阈值。

为了避免渲染更新对于负载造成的压力过大，在满足上述条件之后，还可以估算一下当前帧的负载情况，如果负载情况小于预先设定的阈值，则进行渲染更新，否则不进行渲染更新。

步骤302：以当前视点为原点，生成参与散射计算的天空四分之一极坐标球形模型，保存太阳的极坐标偏移水平角和高度角。

图2所示为参与散射计算的天空四分之一极坐标球形模型示意图。以视点为原点的球形视野范围内，天空占据二分之一个球形，另外二分之一个球形由地面占据。以视点与太阳连线所在的垂直平面为对称平面，可以将天空分为相互对称的两部分，因此只需生成参与散射计算的天空四分之一球形，这样可以将计算量减少为计算全天空的二分之一。

步骤303：利用基于大气散射原理的散射计算模型计算大气渲染图像所需的贴图。本实施例中采用Mr.Sean O‘Neil模型，也可以采用其它模型。具体做法是：将需要参与散射计算的天空的四分之一球形按照水平角分为m等份，按照高度角分为n等份，这样所述四分之一球形被分为m×n个空间角单元。GPU实现以太阳水平方向角度为基准方向，进行以极坐标方式的180度快速散射计算。也就是对于上述每一个空间角单元采用PhaseFunction、In Scattering以及Out Scattering的计算公式进行计算，并将计算结果保存到一张m×n大小的贴图缓冲上。这样每次需要更新散射的时候计算量是恒定的m×n×27，而不是屏幕分辨率M相关的计算量M×27。m和n均为自然数，可以根据实际需要设定，较佳地，取值为m＝n＝256。客户端显示设备屏幕分辨率M的值为1024×768或更高。

步骤304：计算出当前太阳方向在水平面上的偏移量。

步骤305：将所得到贴图缓冲映射到实际显示的天空图像，其中，需要进行顶点的矩阵变换和像素的对应。本发明方法不用传统的投影矩阵转换，即局域(Local)＝＞世界(World)＝＞视野(View)＝＞投射(Projection)，而是根据裁切平面的原理来实现的。把水平角(0～PI)和高度角(0～PI/2.0)均匀对应到X(-1.0，+1.0)，Y(-1.0，+1.0)的坐标上，把可渲染范围设置在Z(0.5)，W(1.0)。其中X，Y的坐标决定像素点在屏幕上位置，Z代表深度，决定是否显示到屏幕上。本实施例中Z为0～1之间任何值均可。W是处理由于各个空间的矩阵变换带来的视锥变换的，本发明实施例中不需要处理W，只要设置成1以保证均匀的渲染到贴图。根据当前太阳方向在水平面上的偏移量，单独做一次渲染就可以得到当前的二分之一天空散射图。

步骤306：将已得到二分之一天空散射图利用对称的极坐标，得到另外二分之一天空散射图，这样就得到具有物理准确性的散射计算的游戏场景中整个天空。并转至步骤301。

本发明实施例还提出了一种基于大气散射原理对天空进行渲染的装置400，如图4所示，包括如下模块：

更新判断模块401，用于根据游戏场景判断是否满足渲染更新条件，若是则通知贴图计算模块402计算新的贴图；否则不发出通知。所述渲染更新条件为满足如下任意一个条件：

首次进行天空渲染；

距离上一次进行天空渲染的时间达到了预设时间阈值；

视点的高度变化达到预设高度阈值；

贴图计算模块402，用于以当前视点为原点，生成参与散射计算极坐标球形，将需要参与散射计算的极坐标球形按照水平角分为m等份，按照高度角分为n等份，这样所述四分之一球形被分为m×n个空间角单元；对于所述每一个空间角单元采用相位计算、粒子对光线吸收和粒子对光线散射的计算公式进行计算，将计算结果保存为m×n大小的贴图，所述m和n为自然数。所述参与散射计算极坐标球形为：以视点与太阳连线所在的垂直平面为对称平面，将天空分为相互对称的两个四分之一球形中的任意一个。

映射模块403，用于根据裁切平面的原理，将贴图计算模块402所计算的贴图投影到实际显示的天空图像，把水平角和高度角均匀对应到X(-1.0，+1.0)，Y(-1.0，+1.0)，坐标上，把可渲染范围设置在Z(0.5)，W(1.0)。根据当前太阳方向在水平面上的偏移量，单独做一次渲染就可以得到当前的二分之一天空散射图。将已得到二分之一天空散射图利用对称的极坐标，得到另外二分之一天空散射图，这样就得到具有物理准确性的散射计算的游戏场景中整个天空。

本发明提出的基于大气散射原理对天空进行渲染的方法和装置，能够应用于低配置的计算机上。非更新帧的运算量近似等于普通天空球的运算量。更新帧的运算量恒定，只和散射贴图的尺寸相关，与天空在屏幕上占据的大小无关，与屏幕的分辨率无关。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种基于大气散射原理对天空进行渲染的方法，用于生成网络游戏场景中的天空，其特征在于，包括如下步骤：

A、判断是否满足渲染更新条件，若不满足，则转至步骤C，否则执行步骤B；

B、以当前视点为原点，生成参与散射计算极坐标球形模型，将需要参与散射计算的极坐标球形模型按照水平角分为m等份，按照高度角分为n等份，这样参与散射计算的极坐标球形模型被分为m×n个空间角单元；对于所述每一个空间角单元采用相位计算、粒子对光线吸收和粒子对光线散射的计算公式进行计算，将计算结果保存为m×n大小的贴图缓冲，所述m和n为自然数；

C、根据当前太阳方向在水平面上的偏移量将所得到贴图缓冲映射到实际显示的天空图像。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述渲染更新条件为满足如下任意一个条件：

首次进行天空渲染；

距离上一次进行天空渲染的时间达到了预设时间阈值；

视点的高度变化达到预设高度阈值。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A中判断满足渲染更新条件后，执行步骤B之前，进一步包括：估算当前帧的负载情况，如果负载情况小于预先设定的阈值，则转至所述步骤B；否则执行步骤C。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述m＝n＝256。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，所述参与散射计算极坐标球形模型为：以视点与太阳连线所在的垂直平面为对称平面，将天空分为相互对称的两个四分之一球形中的任意一个。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据当前太阳方向在水平面上的偏移量将所得到贴图映射到实际显示的天空图像包括：

将所述贴图做一次渲染得到当前的二分之一天空散射图；

将已得到二分之一天空散射图利用对称的极坐标，得到另外二分之一天空散射图。

7、一种基于大气散射原理对天空进行渲染的装置，用于生成网络游戏场景中的天空，其特征在于，该装置包括：

更新判断模块，用于根据游戏场景判断是否满足渲染更新条件，若是则通知贴图计算模块计算新的贴图；

贴图计算模块，用于根据更新判断模块的通知，以当前视点为原点，生成参与散射计算极坐标球形模型，将需要参与散射计算的极坐标球形模型按照水平角分为m等份，按照高度角分为n等份，这样所述参与散射计算的极坐标球形模型被分为m×n个空间角单元；对于所述每一个空间角单元采用相位计算、粒子对光线吸收和粒子对光线散射的计算公式进行计算，将计算结果保存为m×n大小的贴图缓冲，所述m和n为自然数；

映射模块，用于计算出当前太阳方向在水平面上的偏移量，根据当前太阳方向在水平面上的偏移量将贴图计算模块所得到贴图缓冲映射到实际显示的天空图像。

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