CN102436673A - 一种大规模室外场景的阴影绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大规模室外场景的阴影绘制方法，包括：将视截体按照深度值进行划分，获得视截体的分割单元；对光截体进行划分，获得光截体的四棱锥的划分单元；对阴影图进行渲染，获得阴影图的渲染效果图；对大规模室外场景的整个场景进行渲染，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图；该方法是一种占用内存的空间小而且快速的大规模室外场景的阴影绘制方法。

Description

一种大规模室外场景的阴影绘制方法

技术领域

本发明涉及计算机图形学领域，特别是涉及一种大规模室外场景的阴影绘制方法。

背景技术

渲染场景时，阴影是很重要的一部分，没有阴影的场景看起来很不真实。阴影可以给出有关场景的信息，物体间的空间关系以及光源的位置信息。最近几年，阴影图一直是比较流行的阴影渲染算法。

阴影图算法是一种基于图像采样技术的阴影生成算法，该算法的过程是对场景进行两遍绘制：

1)以光源作为视点绘制场景，将深度信息存储在一幅深度纹理中；

2)从真实视点角度，以常规方式绘制场景。对于每一个绘制点，计算其在光源裁剪空间中的深度值，为描述方便此深度值记为D2，并将此深度值与第一遍绘制后生成的纹理图中相应的深度值D1做比较：若D2＞D1，则表示该点与光源之间还有其他物体，该点位于阴影中；否则，当前点不在阴影中。阴影图算法与图像相关，因此不可避免地产生边缘走样等问题。此外，阴影的质量与阴影图的分辨率相关，当分辨率较低时，阴影质量很差。因此能否对阴影图算法进行改进，解决以上弊端，成为了本领域技术人员的研究的新的方向。

因而，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何找到一种占用内存的空间小而且快速的大规模室外场景的阴影绘制方法。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种大规模室外场景的阴影绘制方法，该方法是一种占用内存的空间小而且快速的大规模室外场景的阴影绘制方法。

为了解决上述问题，本发明公开了一种大规模室外场景的阴影绘制方法，包括：

将视截体按照深度值进行划分，获得视截体的分割单元；

对光截体进行划分，获得光截体的四棱锥的划分单元；

对阴影图进行渲染，获得阴影图的渲染效果图；

对大规模室外场景的整个场景进行渲染，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

优选的，所述将视截体按照深度值进行划分，获得视截体的分割单元的步骤，包括：

采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方式，将视截体按照深度值进行划分，获得视截体的分割单元。

优选的，所述采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方式的步骤，包括：

通过公式C₁＝(C_i ^log+C_i ^uniform)/2         (I)来采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方法；

其中，C_i ^log表示采用对数分割方式确定分割点的位置，C_i ^uniform表示采用平均分割方式确定分割点的位置，Ci表示采用对数分割方式和采用平均分割方式二者取均值所确定的分割点。

优选的，所述采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方式的步骤，包括：

所述利用分割方式确定分割位置后，对近处和远处的分割体依据距离远近都能产生合适的采样密度，获得高精度的场景渲染效果图。

优选的，所述对光截体进行划分，获得光截体的四棱锥的划分单元的步骤，包括：

通过计算沿着坐标轴方向排列的包围盒与光截体求交集，来对光截体进行划分，获得光截体的四棱锥的划分单元。

优选的，所述对阴影图进行渲染，获得阴影图的渲染效果图的步骤，包括：

将光截体进行划分，获得光截体的若干分割单元；

在局部光源空间中对每个视截体进行渲染，获得阴影图的渲染效果图。

优选的，所述对大规模室外场景的整个场景进行渲染，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图的步骤，包括：

将上述获得的阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

优选的，所述将上述获得的阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图的步骤，包括：

所述通过判断像素是否被遮拦的方式，将上述获得的阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

优选的，所述通过判断像素是否被遮拦的方式，将上述获得的阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图的步骤，包括：

依据像素点的深度值选择相应的阴影图，获得相应的阴影图的渲染效果图；

将像素转换到各个光截体空间的分割单元；

通过上述方式将上述获得阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

本发明显著优点在于：

在大规模虚拟环境中，通过使用对数分割和平均分割相结合的分割方法，利用平行于视觉投影面的一些平面将视截体分割成不同的深度部分，然后对每个分割部分各自生成一个阴影图，保证了在整个深度范围内均能生成合适的采样密度，最后利用多个阴影图进行渲染，既增强了场景真实感，又保证了绘制速度，减少了缓存空间，较好地解决了大规模虚拟环境中实时阴影生成技术问题。

总之，本发明提供了一种大规模室外场景的阴影绘制方法，该方法是一种占用内存的空间小而且快速的大规模室外场景的阴影绘制方法。

附图说明

图1是本发明一种大规模室外场景的阴影绘制方法的实施例的步骤流程图；

图2是本发明中分割视截体并生成阴影示意图；

图3是本发明中走样原因分析示意图；

图4是本发明中划分光源空间的示意图；

图5是本发明中的算法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的核心思想之一是提供了一种大规模室外场景的阴影绘制方法，包括：将视截体按照深度值进行划分，获得视截体的分割单元；对光截体进行划分，获得光截体的四棱锥的划分单元；对阴影图进行渲染，获得阴影图的渲染效果图；对大规模室外场景的整个场景进行渲染，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图；该方法是一种占用内存的空间小而且快速的大规模室外场景的阴影绘制方法。

本发明通过平均分割和对数分割相结合的方法，利用平行于视觉投影面的分割面将视截体划分成不同的深度部分，然后对每个分割部分生成对应的阴影图，最后利用多个阴影图代替单个阴影图进行渲染。

参照图1，示出了本发明一种大规模室外场景的阴影绘制方法的实施例的步骤流程图，具体可以包括：

步骤101、将视截体按照深度值进行划分，获得视截体的分割单元。

其中，所述步骤101具体可以包括：

子步骤A1、采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方式，将视截体按照深度值进行划分，获得视截体的分割单元。

所述采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方式的步骤，包括：

子步骤B1、通过公式C_i＝(C_i ^log+C_i ^uniform)/2(I)来采用对数

分割方式和平均分割方式相结合的方法；

其中，C_i ^log表示采用对数分割方式确定分割点的位置，C_i ^uniform表示采用平均分割方式确定分割点的位置，C_i表示采用对数分割方式和采用平均分割方式二者取均值所确定的分割点。

所述采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方式的步骤，包括：

子步骤C1、所述利用分割方式确定分割位置后，对近处和远处的分割体依据距离远近都能产生合适的采样密度，获得高精度的场景渲染效果图。

参照图2，示出了本发明中分割视截体并生成阴影示意图。

从图2中可以看出：采用本发明的一种大规模室外场景的阴影绘制方法来分割视截体并生成阴影的全过程，具体如下所述：

场景中不同深度的物体需要不同的纹理解决方案，可以通过根据深度值进行视截体分割来实现，关键是如何定义分割点。在讨论如何选择分割点之前，我们先分析引起阴影图走样的原因。在图2中，V代表视截体空间，n和f为近裁减面和远裁减面，s代表纹理图坐标空间，ds代表纹理图中某像素大小，光束通过一个在纹理空间中面积为ds×ds的纹素，经过场景中物体后投影在视觉空间中的长度为dz，同时将该物体在视点空间中的高度以及在图像平面中的投影大小分别记作dy和dp，dp近似地等于ndy/z。Φ和θ分别表示该表面的法线与屏幕方向的夹角、法线与阴影平面的夹角。由于dy＝dzcosΦ/cosθ，则阴影的走样误差dp/ds为：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{ds}}=n\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{zds}}\·\frac{\cos \mathrm{\Φ}}{\cos \mathrm{\θ}}$

①

式中：若dz/zds的值过大则会引起透视走样，cosΦ/cosθ值过大会引起投影走样。若需减少投影走样cosΦ/cosθ，必须要对每帧进行大量的场景分析以及定义复杂的数据结构，这在大规模虚拟环境中很难实现。而透视走样dz/zds主要是由于透视造成近大远小的视觉效果引起的，通过应用矩阵转换来调整阴影图纹素的值就比较容易减少这种走样。故以下提出的视截体分割过程主要是为了减少透视走样(即主要考虑dz/zds)。为了实现高效的分割，算法采用对数分割和平均分割相结合的方法。

平均分割法采用分割面均匀地沿着Z轴排列，第i个分割点的位置C_i ^uniform＝n+(f-n)i/m (n和f分别代表视截体的近裁减面和远裁减面)，这种方法所产生的透视走样分布和传统的阴影图一样，即s＝(z-n)/(f-n)，走样为：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{ds}}=n\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{zds}}=\frac{n(f-n)}{z}$

②

这就意味着物体距离视觉投影平面越近(z越小)，走样会以双曲线的方式递增，导致接近观察者的地方采样不足，而远离观察者的地方采样过密。采用对数分割时，通常将第i个分割点的位置定义为C_i ^log＝n(f/n)^i/m，但距离观察者近的地方(i较小)，由于其分割长度太短，这部分仅能包含场景中的很少物体，有可能造成对距离观察者近的地方过采样而在远离观察者的部分采样不足。由于对数分割和统一分割不能同时对近处和远处深度层次都产生合适的采样密度，将两者结合则可以缓和理论上最理想和最不理想的极端情况，采用C_i ^log和C_i ^uniform的平均值作为划分位置C_i，如式③所示：

C_i＝(C_i ^log+C_i ^uniform)/2           ③

其中：C_i ^log、C_i ^uniform分别表示采用对数分割和平均分割所确定的分割点位置，C_i表示取二者均值后确定的分割点，利用Ci值确定分割位置后，对近处和远处的分割体依据距离远近都能产生合适的采样密度，从而提高了场景渲染的质量。

参照图3，示出了本发明中走样原因分析示意图。

从图3中可以看出：本发明的一种大规模室外场景的阴影绘制方法的走样原因。

步骤102、对光截体进行划分，获得光截体的四棱锥的划分单元。

其中，所述步骤102具体可以包括：

子步骤D1、通过计算沿着坐标轴方向排列的包围盒与光截体求交集，来对光截体进行划分，获得光截体的四棱锥的划分单元。

参照图4，示出了本发明中划分光源空间的示意图。

为方便描述，此处，W代表光截体，W_i代表分割后的局部光截体，V代表视截体，V_i代表分割后的局部视截体，B_i和B分别代表视截体V_i和V的包围盒。

为了将光截体W分成更小的W_i，可以通过计算沿着坐标轴方向排列的包围盒与光截体的交集来构造。假定光源的方向和视线的方向互相垂直，如图4所示，对应于视截体的划分，光截体也划分成了三部分W₁、W₂和W₃，B_i和B分别代表视截体V_i和V的包围盒。为了提高阴影图算法的效率，通常将B_i(或B)作为第i个分割部分V_i(或V)的几何近似，这样使阴影图只涉及那些和阴影相关的物体。若对整个场景仅采用一个大的包围盒B，则无法考虑物体的分布情况，物体之间的间隙会影响到算法的效率，这种现象在场景中物体分布比较稀疏的时候会更加突出。在算法改进时，将几何近似方法分别应用于各个分割体，而不是整个场景，图4中，使用AABB包围盒(Axis-Aligned Bounding Boxes，沿坐标轴的包围盒)作为几何近似的模型。显然，∑_i＝1Area(B_i)≤Area(B)，表明基于分割的方法进行几何近似的结果更精确。将平截体分割的部分越多，包围盒包围的越紧密，这种局部逼近(而不是整体逼近)的方法在很大程度上能够提高算法的性能。

步骤103、对阴影图进行渲染，获得阴影图的渲染效果图。

其中，所述步骤103具体可以包括：

子步骤E1、将光截体进行划分，获得光截体的若干分割单元。

子步骤E2、在局部光源空间中对每个视截体进行渲染，获得阴影图的渲染效果图。

为了使本领域的普通技术人员更好地理解本发明，下面详细介绍阴影图的渲染，具体如下所述：

将光截体划分成若干部分局部光截体后，在局部光源空间中相应视截体都被渲染到一个局部阴影图中。与大小为1024×1024的单个阴影图的方案相比，m个512×512阴影图就可以满足大部分应用的要求。以m＝3为例，对于一个大规模场景而言，若采用上述平均分割和对数分割相结合的方式进行场景分割且渲染到3个512×512的阴影图时，利用式③计算出分割位置后，离视点最近的第一部分采样密度大约为采用1024×1024的单个阴影图时的1.5倍，第2部分的采样密度约为采用单个阴影图的1.3倍，而距离视点最远的第3部分的采样密度约为单个阴影图的0.7倍。这样，距离视点的距离不同，采样密度也不同，即距离视点越近，采样密度越高，对场景中近处和远处的分割体就都能够产生合适的采样密度。

步骤104、对大规模室外场景的整个场景进行渲染，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

其中，所述步骤104具体可以包括：

子步骤F1、将上述获得的阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

在本发明的另一个优选实施例中，所述步骤104具体可以包括：

子步骤G1、所述通过判断像素是否被遮拦的方式，将上述获得的阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

其中，所述子步骤G1具体可以包括：

子步骤H1、依据像素点的深度值选择相应的阴影图，获得相应的阴影图的渲染效果图。

子步骤H2、将像素转换到各个光截体空间的分割单元。

子步骤H3、通过上述方式将上述获得阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

参照图5，示出了本发明中的算法流程示意图，具体步骤如下所述：

1)将视截体按深度值划分成多个分割部分；

2)将光截体划分成多个小四棱锥，每部分对应一个分割后的部分；

3)渲染阴影图；

4)渲染整个场景。

本发明中涉及的部分代码如下：

总之，本发明提供了一种大规模室外场景的阴影绘制方法，该方法是一种占用内存的空间小而且快速的大规模室外场景的阴影绘制方法。

以上对本发明实施例所提供的一种大规模室外场景的阴影绘制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种大规模室外场景的阴影绘制方法，其特征在于，包括：

将视截体按照深度值进行划分，获得视截体的分割单元；

对光截体进行划分，获得光截体的四棱锥的划分单元；

对阴影图进行渲染，获得阴影图的渲染效果图；

对大规模室外场景的整个场景进行渲染，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将视截体按照深度值进行划分，获得视截体的分割单元的步骤，包括：

采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方式，将视截体按照深度值进行划分，获得视截体的分割单元。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方式的步骤，包括：

通过公式C_i＝(C_i ^log+C_i ^uniform)/2      (I)来采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方法；

其中，C_i ^log表示采用对数分割方式确定分割点的位置，C_i ^uniform表示采用平均分割方式确定分割点的位置，C_i表示采用对数分割方式和采用平均分割方式二者取均值所确定的分割点。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用对数分割方式和平均分割方式相结合的方式的步骤，包括：

所述利用分割方式确定分割位置后，对近处和远处的分割体依据距离远近都能产生合适的采样密度，获得高精度的场景渲染效果图。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对光截体进行划分，获得光截体的四棱锥的划分单元的步骤，包括：

通过计算沿着坐标轴方向排列的包围盒与光截体求交集，来对光截体进行划分，获得光截体的四棱锥的划分单元。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对阴影图进行渲染，获得阴影图的渲染效果图的步骤，包括：

将光截体进行划分，获得光截体的若干分割单元；

在局部光源空间中对每个视截体进行渲染，获得阴影图的渲染效果图。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对大规模室外场景的整个场景进行渲染，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图的步骤，包括：

将上述获得的阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将上述获得的阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图的步骤，包括：

所述通过判断像素是否被遮拦的方式，将上述获得的阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过判断像素是否被遮拦的方式，将上述获得的阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图的步骤，包括：

依据像素点的深度值选择相应的阴影图，获得相应的阴影图的渲染效果图；

将像素转换到各个光截体空间的分割单元；

通过上述方式将上述获得阴影图的渲染效果图加入到虚拟环境中，获得大规模室外场景的整个场景的渲染效果图。

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