CN102365657B - 在图像中生成阴影的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明关注一种在图像(10)中生成阴影的方法，包括步骤：计算(E2)深度图(6)，该深度图包括像素阵列，其中，该深度图(6)中的像素与对应于深度值(dsm)的单个值相关联，该深度值指示从光源(2)到通过该像素可看到的最接近遮挡对象(4)的部分的深度；将通过所述图像(10)的像素(Pix)可看到的点(P)投影(E6)到光空间中，所述投影的结果是所述深度图(6)的像素(11)；计算(E7)所述可看到的点(P)和光源(2)之间的距离(dp)；提取(E8)深度图(6)的所述像素(11)相关联的深度值(dsm)，其特征在于，该方法还包括以下步骤：对于所述图像(10)中的所述像素(Pix)，作为预定基本偏置(bbase)以及在所述可看到的点(P)所处于的表面(3)的法向(N)与所述可看到的点(P)处的入射光方向(L)之间的关系的函数，来计算(E9)自适应偏置(b)；对于图像(10)中的所述像素(Pix)，将所述可看到的点(P)和光源(2)之间的距离(dp)、以及对应深度图值(dsm)与所述自适应偏置(b)之和进行比较(E10)；根据所述比较，将通过所述像素(Pix)可看到的所述点(P)标记(E11，E12)为照亮或加阴影。

Description

在图像中生成阴影的方法
技术领域
本发明涉及一种在图像中生成阴影的方法。
背景技术
在图形呈现中，重要的是在实时基础上产生逼真的图像。在实现整体视觉写实(visual realism)方面的基本困难在于：快速且准确地展示真实世界视觉效果的复杂度。场景可能包括多种纹理、颜色层次、反射、半透明，并且更具体地可以包括阴影。阴影增强了图像的真实感(realism)，这是因为它们向二维(2D)图像提供了三维的表现。
例如，阴影的生成在游戏环境下是至关重要的，这是因为其必须根据场景中由游戏用户引导的运动来实时地生成。
过去，已经存在多种不同的方式来确定场景中的对象将如何投射阴影并且在所呈现的图像中应如何展示这些阴影。
在来自F.Crow的在1977年的SIGGRAPH会议录中发表的题为“ShadowAlgorithms for Computer Graphics”的文档中描述了被称为阴影锥的公知加阴影方法。
在该文档中，突出阴影投射对象的轮廓以便确定加阴影。尽管该方法提供了高质量的阴影，但是其限于简单场景并且是计算密集的。
在来自L.Williams的在1978年的SIGGRAPH会议录中发表的题为“Casting curved shadows on curved surfaces”的文档中描述了更通用的实时阴影生成技术。
尽管该方法非常有效并且易于实施，但是其受到由于阴影图的有限分辨率而引起的采样缺陷的影响：大多数时候，单个阴影图纹理元素在最终图像的若干个像素中被使用，产生了若干个混叠伪像。最公知的伪像是最终图像中阴影块的出现。
典型地，使用来自M.Bunnell和F.Pellacini的在2004年的GPU Gems，Addison Wesley Edition中发表的题为“Shadow Map Antialiasing”的文章中公开的百分比渐进滤波可以降低该伪像，其中，若干个阴影图纹理元素被用来确定入射到点的光的百分比。已经开发了许多其它方法，通过仅将阴影图集中在场景的可视部分上，来降低这样的混叠伪像。然而，所有这些方法都是依赖于视图的，并且因此要求对于用户的每个运动重新生成阴影图。此外，依赖于用户位置，阴影图的质量不恒定。
另一伪像是由于距离信息的精度和阴影图的有限分辨率两者：对于彼此非常接近或者在与光方向几乎正切的表面上的遮挡对象，距离比较可能返回错误的值。为了克服该问题，用户定义的偏置值使距离比较偏移，使得消除错误的加阴影。然而，这导致了不希望的阴影偏移。由于相同的偏置值被用于呈现整个场景，“有问题的”对象促使所有其它阴影偏移以便避免伪像。
以Snyder的名义于1996年1月27日提交的US 5,870,097提出了一种改进图形呈现系统中的加阴影的方法。其提出了自动计算用于阴影映射的偏置。然而，在该专利中提出的方法要求复杂的计算，即，从源到两个最接近表面的距离的计算。
发明内容
本发明提出解决这些缺陷中的至少一项。为此，本发明关注一种在图像中生成阴影的方法，包括步骤：
-计算深度图，该深度图包括像素阵列，其中，该深度图中的像素具有深度值，该深度值指示从光源到通过该像素可看到的最接近遮挡对象的部分的深度，
-将从虚拟照相机可看到的每个点投影到光空间中，
-计算所述可看到的被投影的点和光源之间的距离，
-提取深度图中与从光源到所述可看到的被投影的点的光线相对应的深度值。
该方法还包括步骤：
-对于每个像素，作为预定基本偏置和所述可看到的点所处于的表面的配向(orientation)的函数，来计算自适应偏置，
-对于图像中的每个像素，将所述可看到的被投影的点和光源之间的距离、以及对应深度图值与所述自适应偏置之和进行比较，
-根据所述比较，将所述像素标记为照亮或加阴影。
优选地，所述自适应偏置依赖于所述表面的法向。
根据优选实施例，所述自适应偏置被定义为所述预定基本偏置除以一标量积，该标量积为表面法向与入射光方向的标量积。
优选地，所述自适应偏置被限制到最大值。
根据第二方面，本发明还关注一种图形处理单元，其包括用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的代码指令。
根据第三方面，本发明还关注一种计算图像的阴影的计算机程序产品，该计算机程序产品包括包含用于执行根据权利要求1到4任一项所述的方法的步骤的计算机程序代码的计算机可读介质。
根据第二方面，本发明关注一种图形处理单元，其包括用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的代码指令。
根据第三方面，本发明关注一种计算图像的阴影的计算机程序产品，该计算机程序产品包括包含用于执行根据本发明的方法的步骤的计算机程序代码的计算机可读介质。
附图说明
在附图的帮助下，本发明的其它特征和优点将通过将说明的本发明非限制性实施例的描述而变得明显。
图1表示必须为其生成阴影的场景的概图；
图2表示具有自适应偏置的阴影映射的算法；
图3表示根据本发明的优选实施例的在偏置计算中使用的值；
图4表示表面上的混叠现象；
图5表示根据本发明实施例的实施阴影映射的方法的设备。
具体实施方式
在图1上，表示了必须为其生成阴影的场景。所提出的方法使得能够实时地生成阴影。在玩视频游戏时，根据由用户引导的人在场景中的移动，必须实时地生成阴影。因此，归功于计算机或计算机的图形处理板上的图形处理单元(被已知为首字母缩写GPU)，有利地执行该方法。GPU将运行软件指令以便运行下文中公开的方法。代码指令存储在计算机可读介质(诸如，存储器)上。
该方法基于以下事实：光源和虚拟照相机位于该场景中。图1示出了一个实施例。
虚拟照相机1根据具体视点捕捉场景，其给出代表该场景的图像10作为结果，必须为该图像10生成阴影。如图1所示地定位光源2。球体4位于该场景中，并且代表图像10的遮挡对象。图像10的一些像素与属于平面表面3的点相关联，这些像素对应于图像10中的以下像素：通过所述像素，虚拟照相1可看到平面表面的点。光源2投影光线5，其照亮球体4的一部分。图像10包括表示如从虚拟照相机1的具体点看上去的三维场景的像素阵列。对于给定光源2，计算深度图6。深度图6包括像素阵列，其中，取代具有颜色值，每个像素具有深度值。深度图中的每个像素具有坐标(xsm，ysm)。在一个实施例中，参考z轴定义深度值，z轴是深度图的法向。
在图2中给出的流程图基于实时阴影映射算法，但是不限于该方法，本发明可以基于任何基于阴影映射的技术。
在纵观阴影映射方法的情况下，稍后描述的步骤E2和E7是不同的。
在步骤E1，归功于虚拟显示提供的便利，将照相机定位于光源位置。
在步骤E2，从位于光源位置处的照相机呈现该场景。图1上可看到的具有参考标号8的、从该照相机位置至可看到的每个点的距离dsm(xsm，ysm)存储在阴影图中。阴影图是在图形存储器中存储的深度图纹理。
在步骤E3，初始化呈现处理，并且在以下步骤中，照相机位于其原来位置。
在步骤E4，用户定义偏置bbase，其仅仅依赖于场景的规模。例如，值0、1适于其长度单位为米的场景。
在步骤E5，选择最终图像中的第一像素Pix。将一个接一个地选择所有像素。在其它实施例中，依赖于处理器能力，可以同时处理若干个像素。
在步骤E6，将通过像素Pix可看到的点P投射到光空间。光空间与如从光源2看上去的场景的表示(如在图像(10)中所表示的)对应。
在步骤E7，根据本领域技术人员熟知的任何方法(例如通过使用欧几里德(Euclidean)距离)来计算从P到光源的距离dp。其在图1上被示出为参考标记9。
从光源到点P的该光线在坐标(xsm，ysm)的像素(11)处与深度图相交，在步骤E8从阴影图中提取至最接近遮挡物的对应距离dsm(xsm，ysm)。
在步骤E9，计算自适应偏置。如图4所示，在传统方法中，在表面上存在混叠。混叠伪像倾向于在所呈现的表面与光照方向正切时出现。
由于阴影图的每个像素存储至在像素中间可看到的点的距离，因此有限的采样率产生了其中的点被相继地标记为照亮或加阴影的区域。
为了消除伪像，必须提高偏置值。相反，几乎与光照方向垂直的表面不要求高偏置值。
根据本发明实施例，基于每个可看到的点处的表面配向，定义每个像素的偏置自适应函数。给出仅依赖于场景规模的用户定义的基本偏置值bbase，则根据下式计算用于确定加阴影的实际偏置b：
b＝bbase/max(ε，-(N·L))其中，‘·’是向量标量积运算符，N是表面法向，L是入射光方向，ε是在N变得几乎垂直于L时防止偏置值变为无穷大的最小值，典型地为0.05。
图3通过示出L和N表示而进行图示。向量-L和N越接近共线，即向量-L和N形成的角度窄，自适应偏置b的值越低，即，自适应偏置b的值接近基本偏置bbase。实际上，在这样的情况下，与像素的特征(加阴影或照亮)有关的不确定性低，因此深度比较的容限低。向量-L和N越接近垂直，即向量-L和N形成的角度宽，自适应偏置b的值越高，即，自适应偏置b的值高(例如，高达bbase的值的20倍)，并且在这样的情况下，与像素的特征(加阴影或照亮)有关的不确定性高。因此，深度比较的容限高。
在步骤E10，执行测试。Dp表示从光源到点P的距离，Dsm表示从光源到阴影图的距离。
如果dp≥dsm+b，则转到步骤E11，其中与像素Pix相关联的点P被标记为加阴影的像素。
如果dp＜dsm+b，则转到步骤E12，其中与像素Pix相关联的点P被标记为照亮的像素。
然后，进一步前进到步骤E13，其中执行测试以便检查该像素是否是该场景的最后像素。如果是，则已经处理了整个场景，否则，进一步前进到步骤E15，其中选择下一像素，并且返回步骤E6等等，直至已经浏览了所有像素为止(步骤E14)。
当已经将该图像的所有像素标记为照亮或加阴影时，对这些像素执行图像处理方法以便分别照亮它们或给它们加阴影。
图5示意性地图示了被适配于生成图像中的阴影的设备5的硬件实施例。设备5与例如个人计算机、膝上型计算机、游戏控制器或任何图像处理单元对应。设备5包括通过地址和数据总线55连接在一起的以下元件：
-微处理器51(或CPU)；
-图形卡52，包括：
○若干个图形处理单元520(GPU)；
○图形随机存访问储器521；
-非易失性存储器，诸如ROM(只读存储器)56；
-RAM(随机存访问储器)57；
-一个或若干个输入/输出(I/O)设备54，诸如例如键盘、鼠标、网络照相机等；
-电源58。
设备5还包括显示设备53，诸如直接与图形卡52连接的用于例如实时地显著显示在图形卡中计算并合成的图像的呈现的显示屏幕。根据变型，显示设备53在设备5外部。
注意，在存储器52、56和57的描述中使用的词语“寄存器”在每个所提及的存储器中指代低容量的存储器区域(一些二进制数据)、以及大容量的存储器区域(使得能够存储整个程序、或者使得能够存储表示所计算的数据或要显示的数据的数据的全部或部分)。
在被上电时，微处理器51加载并运行在RAM 57中包括的算法指令。
存储器RAM 57具体包括：
-在寄存器570中，在设备5上电时加载的“prog”程序，
-表示要呈现的场景的数据571。
实施本发明的方法步骤的算法存储在与实施这些步骤的设备5相关联的图形卡52的存储器GRAM 521中。当被上电时并且一旦表示场景的数据571被加载到RAM 57中，图形卡的GPU 520将这些数据加载到GRAM 521并且使用例如HLSL(“高级着色器语言”)、GLSL(“OpenGL着色语言”)语言来执行这些算法的以称作“着色器(shader)”型的微程序形式的指令。
存储器GRAM 521具体包括：
-在寄存器5210中，表示要呈现的场景的数据，
-深度图中包括的深度值5211，
-对于一个或若干个点P，可看到的点P和光源2之间的距离dp 5212，
-为深度图中与可看到的点P相关联的像素计算的自适应偏置5213。
根据变型，电源在设备5外部。
有利地，使用图形处理板上的图形处理单元(GPU)计算如在优选实施例中描述的发明。
因此，本发明还优选地被实施为软件代码指令并存储在计算机可读介质(诸如存储器(闪存、SDRAM...))上，所述指令被图形处理单元读取。
已经为了说明和描述的目的而提出了本发明的实施例的前述描述。其不旨在是穷举的，或者将本发明限制于所公开的精确形式。相关领域技术人员可以理解，依据上面教导，可以有许多修改和改变。因此，旨在本发明的范围不受该详细描述的限制，而是由所附权利要求限制。

Claims (6)

1.一种用于在图像(10)中生成阴影的方法，该方法在图像处理单元中实施并包括下列步骤：
计算深度图(6)，该深度图包括像素阵列，其中，该深度图(6)中的像素与对应于深度值的单个值相关联，该深度值指示从光源(2)到通过该像素可看到的最接近遮挡对象(4)的部分的深度，
将通过所述图像(10)的像素可看到的点投影到光空间中，所述投影的结果是所述深度图(6)的像素(11)，
计算所述可看到的点和光源(2)之间的距离，
提取深度图(6)的所述像素(11)相关联的深度值，
其特征在于，该方法还包括以下步骤：
对于所述图像(10)中的所述像素，作为预定基本偏置以及在所述可看到的点所处于的表面(3)的法向与所述可看到的点处的入射光方向之间的关系的函数，来计算自适应偏置，
对于所述图像(10)中的所述像素，将所述可看到的点和光源(2)之间的距离、以及对应深度图值与所述自适应偏置之和进行比较，
根据所述比较，将所述可看到的点标记为照亮或加阴影。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过将所述预定基本偏置除以标量积来计算所述自适应偏置，该标量积为表面法向与入射光方向的标量积。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述自适应偏置被限制到最大值。
4.一种用于在图像中生成阴影的图像处理装置，所述图像处理装置包括：
计算深度图(6)的部件，该深度图包括像素阵列，其中，该深度图(6)中的像素与对应于深度值的单个值相关联，该深度值指示从光源(2)到通过该像素可看到的最接近遮挡对象(4)的部分的深度，
将通过所述图像(10)的像素可看到的点投影到光空间中的部件，所述投影的结果是所述深度图(6)的像素(11)，
计算所述可看到的点和光源(2)之间的距离的部件，
提取深度图(6)的所述像素(11)相关联的深度值的部件，
其特征在于，所述图像处理装置还包括：
对于所述图像(10)中的所述像素，作为预定基本偏置以及在所述可看到的点所处于的表面(3)的法向与所述可看到的点处的入射光方向之间的关系的函数，来计算自适应偏置的部件，
对于所述图像(10)中的所述像素，将所述可看到的点和光源(2)之间的距离、以及对应深度图值与所述自适应偏置之和进行比较的部件，
根据所述比较，将所述可看到的点标记为照亮或加阴影的部件。
5.如权利要求4所述的图像处理装置，其特征在于：通过将所述预定基本偏置除以标量积来计算所述自适应偏置，该标量积为表面法向与入射光方向的标量积。
6.如权利要求4所述的图像处理装置，其特征在于：所述自适应偏置被限制到最大值。
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