CN102930588B - 一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算机视觉特效，具体涉及一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法，导入场景纹理、随机数噪声纹理Texture_RandomNoise和噪声纹理Texture_SimplexNoise，获取水珠可以在屏幕上出现的多个随机位置，再计算光线折射的偏移量，对水珠曲面进行光纤折射渲染出水珠。简化了水珠曲面生成算法，利用Simplex噪声实时生成随机水珠边缘曲线，能够在屏幕空间实时渲染出视觉效果好的屏幕水珠特效，而不需要高度的水珠纹理，因此渲染效果不受高度纹理分辨率的限制，即便是在普通配置的计算机上也能渲染出高质量的屏幕水珠。

Description

一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法

技术领域

本发明涉及一种计算机视觉特效，具体涉及一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法。

背景技术

在图形学的虚拟仿真和游戏设计领域，我们需要给电脑用户的屏幕添加镜头上的水珠这样的视觉特效。这种视觉特效增强了视觉真实性和用户的使用体验。我们从国内外对该特效的研究论文中，了解到目前模拟这种视觉特效使用的方法包括SPH(光滑粒子动力学)和水珠的高度信息纹理，使用SPH来模拟该特效虽然可以达到较高视觉效果，但是这种渲染方法计算过程非常复杂，很难在普通计算机硬件平台上达到实时渲染，使用水珠的高度信息纹理，需要预先获得这样的高度纹理，然后计算法向量信息，再进行光线折射、反射和考虑菲涅尔定律的光照渲染计算，因此水珠的形状和视觉效果受高度纹理的限制，而且高度纹理的获取方法和纹理的分辨率限制了视觉效果的精确性和逼真性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法，解决了目前用于渲染屏幕空间镜头水珠的方法太过复杂，视觉效果的精确性和逼真性不够的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法，包括以下步骤：

用着色语言渲染到场景纹理Texture_Scene，将Texture_Scene传入屏幕水珠渲染PASS_WaterDropRender；

向Pass_WaterDropRender导入一张随机数噪声纹理Texture_RandomNoise和一张Simplex噪声纹理Texture_SimplexNoise；

通过对随机噪声纹理Texture_RandomNoise的噪音值采样计算，获取水珠可以在屏幕上出现的多个随机位置；

生成水珠在屏幕上的随机边界曲线；

简化水珠曲面；

对水珠曲面进行光线折射渲染。

更进一步的技术方案是上述生成水珠在屏幕上的随机边界曲线，是利用Simplex噪声纹理的Texture_SimplexNoise来生成，首先在噪声纹理Texture_RandomNoise中获取一对随机坐标，作为水珠的屏幕中心点，在屏幕空间中设定遍历到一个UiVj像素点，屏幕中心点与UiVj像素点的线段为UiVj像素段，则UiVj像素段经过边界曲线的点为边界曲线点，边界曲线点到屏幕中心点的长度通过以下方法得到：

设一基准点,其与屏幕中心点的线段平行于Y轴，且方向指向Y轴正方向，从线段开始，将水珠边界曲线等分为N份，通过UiVj像素段和基准点到屏幕中心点的线段，利用夹角公式

$\cos \left(a\right)=\frac{\mathrm{OB}\·\mathrm{OA}}{\left|\mathrm{OB}\right|*\left|\mathrm{OA}\right|}$

来计算UiVj像素段属于哪个等分区，采用

$\mathrm{Index}=\mathrm{floor}\left(\frac{a}{\mathrm{\Δ\β}}\right)$

计算分区索引Index，其中Δβ表示每个等分区的夹角，即

$\mathrm{\Δ\β}=\frac{2\mathrm{\π}}{N}$

得到Index的情况下，将Simplex噪声纹理Texture_SimplexNoise中像素位置颜色的红色分量的值Texel_Red取出，将Texel_Red乘以一个缩放因子θ得出边界曲线点到屏幕中心点的长度；

依次取N为不同份时，算出不同边界曲线点到屏幕中心点的长度并通过Simplex噪声纹理将具有不同长度的边界曲线点连续起来得出水珠的随机边界曲线。

更进一步的技术方案是上述简化水珠曲面是在得到边界曲线的情况下，自定义水珠中心高度点，随机边界曲线上取边界曲线点，延长中心高度点到屏幕中心点得到虚拟中心高度线段，延长曲面点得到的拟边界线段，所述虚拟中心高度线段与虚拟边界线段等长时交汇得到虚拟圆心，以虚拟圆心为圆点作出经过水珠中心高度点和边界曲线点形成的弧线即为简化曲面。

更进一步的技术方案是上述计算光线折射的偏移量，对水珠曲面进行光线折射，通过与屏幕坐标相对应的背景纹理颜色值渲染出水珠内的颜色值，其方法如下：

取位于水珠内的屏幕点，与屏幕点相对应的水珠点，通过光线从空气射入水珠的入射角和折射角，以及空气的折射率和水的折射率，利用公式

$\frac{\sin \left(i\right)}{\sin \left(r\right)}=\frac{n_2}{n_1}$

计算出从水珠点折射到屏幕点的光线射入角度，在结合水珠点与背景纹理之间的距离得出背景纹理上的纹理点的颜色值为屏幕点的颜色值；

更进一步的技术方案是上述纹理点的颜色值通过以下方法得到：

已知屏幕点到屏幕中心点之间的距离、与屏幕点相对应坐标的纹理基准点、屏幕到背景纹理之间的距离和自定义的水珠中心高度，则通过

$R=\frac{h^2+{\mathrm{OP}}^2}{2h}$

得出水珠半径，

纹理点到纹理基准点的偏移距离的长度计算如下：

GD＝HD*tan(a)，

HD＝CD-HC，

HC＝HL-CL，

CL＝R-h，

$\mathrm{HL}=\sqrt{R^2-{\mathrm{OC}}^2},$

因此，偏移距离为

$\mathrm{GD}=(\mathrm{CD}-(\sqrt{R^2-{\mathrm{OC}}^2}-(R-h)))*\tan \left(a\right)$

通过偏移距离得出纹理点的颜色值作为屏幕点的颜色值。

更进一步的技术方案是上述水珠曲面进行光线折射渲染后进行最大数量控制和水珠的产生与消退处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明极大的简化了水珠曲面生成算法，利用Simplex噪声实时生成随机水珠边缘曲线，能够在屏幕空间实时渲染出视觉效果好的屏幕水珠特效，而不需要高度的水珠纹理，因此渲染效果不受高度纹理分辨率的限制，即便是在普通配置的计算机上也能渲染出高质量的屏幕水珠。

附图说明

图1为本发明一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法的一个实施例的水珠在屏幕上的随机边界曲线示意图。

图2为图1示出的本发明一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法一个实施例的屏幕空间中计算近似的水珠曲面曲线示意图；

图3为本发明一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法的另一个实施例的光线折射计算示意图；

图4是采用无水珠的屏幕空间镜头图片；

图5是采用本发明一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法的一个实施例所渲染而成的有水珠的屏幕空间镜头图片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法，包括以下步骤：

用着色语言渲染到场景纹理Texture_Scene，将Texture_Scene传入屏幕水珠渲染PASS_WaterDropRender；

向Pass_WaterDropRender导入一张随机数噪声纹理Texture_RandomNoise和一张Simplex噪声纹理Texture_SimplexNoise；

通过对随机噪声纹理Texture_RandomNoise的噪音值采样计算，获取水珠可以在屏幕上出现的多个随机位置；

每个随机位置的坐标作为水珠的屏幕中心点O，生成水珠在屏幕上的随机边界曲线；

简化水珠曲面；

对水珠曲面进行光线折射渲染。

根据题本发明一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法的另一个实施例，生成水珠在屏幕上的随机边界曲线，是利用Simplex噪声纹理的Texture_SimplexNoise来生成，如图1所示，作为水珠的屏幕中心点O，在屏幕空间中设定遍历到一个UiVj像素点B，屏幕中心点O与UiVj像素点B的线段为UiVj像素段OB，则UiVj像素段OB经过边界曲线的点为边界曲线点P，边界曲线点P到屏幕中心点O的长度OP通过以下方法得到：

设一基准点A,其与屏幕中心点O的线段0A平行于Y轴，且方向指向Y轴正方向，从线段0A开始，将水珠边界曲线等分为N份，通过UiVj像素段OB和基准点A到屏幕中心点O的线段0A，利用夹角公式

$\cos \left(a\right)=\frac{\mathrm{OB}\·\mathrm{OA}}{\left|\mathrm{OB}\right|*\left|\mathrm{OA}\right|}$

来计算UiVj像素段OB属于哪个等分区，采用

$\mathrm{Index}=\mathrm{floor}\left(\frac{a}{\mathrm{\Δ\β}}\right)$

计算分区索引Index，其中Δβ表示每个等分区的夹角，即

$\mathrm{\Δ\β}=\frac{2\mathrm{\π}}{N}$

得到Index的情况下，将Simplex噪声纹理Texture_SimplexNoise中像素位置颜色的红色分量的值Texel_Red取出，将Texel_Red乘以一个缩放因子θ得出边界曲线点P到屏幕中心点O的长度OP；

依次取N为不同份时，算出不同边界曲线点P到屏幕中心点O的长度OP并通过Simplex噪声纹理将具有不同长度OP的边界曲线点P连续起来得出水珠的随机边界曲线。这里所述的N份，是根据水珠所需精度的不同而去不同的值，N取值越多，所计算出的水珠随机边界曲线就约清晰。

上述UiVj像素点B，是通过U和V这两个纹理坐标表示，其中U表示横坐标，V表示纵坐标，i和j分别表示U方向上和V方向上的坐标值。

根据题本发明一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法的另一个优选实施例，如图2所示，UiVj像素段OB属于第2等份区，因此等分区索引Index为2，得到Index的情况下，将Simplex噪声纹理Texture_SimplexNoise中该区索引Index的像素Texel颜色的红色分量的值取出，若该值用Texel_Red表示，将该值乘以一个适当的可以影响水珠大小的缩放因子θ，作为边界曲线点P到屏幕中心点O的长度OP，选择Simplex噪声纹理的原因是该噪声相邻像素的值具有连续相关性，因此生成的随机边界曲线具有近似连续性，在通过公式

Len(OP)＝Texel_Red*θ

得出边界曲线点P到屏幕中心点O的长度OP即是公式中Len(OP)。

根据题本发明一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法的另一个优实施例，简化水珠曲面是在得到边界曲线的情况下，如图2所示，自定义水珠中心高度点O_h，随机边界曲线上取边界曲线点P，延长中心高度点O_h到屏幕中心点O得到虚拟中心高度线段O_h,O_Cirlce，延长曲面点P得到的拟边界线段P,O_Circle，所述虚拟中心高度线段O_h,O_Cirlce与虚拟边界线段P,O_Circle等长时交汇得到虚拟圆心O_Circle，以虚拟圆心O_Circle为圆点作出经过水珠中心高度点O_h和边界曲线点P形成的弧线即为简化曲面。

根据题本发明一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法的另一个优实施例，计算光线折射的偏移量，对水珠曲面进行光线折射，通过与屏幕坐标相对应的背景纹理颜色值渲染出水珠内的颜色值，其方法如下：

如图3所示，取位于水珠内的屏幕点C，即屏幕点C到屏幕中心点O的距离小于长度OP，与屏幕点C相对应的水珠点H，通过光线从空气射入水珠的入射角i和折射角r，以及空气的折射率n1和水的折射率n2，利用公式

$\frac{\sin \left(i\right)}{\sin \left(r\right)}=\frac{n_2}{n_1}$

计算出从水珠点H折射到屏幕点C的光线射入角度，在结合水珠点H与背景纹理之间的距离得出背景纹理上的纹理点G的颜色值为屏幕点C的颜色值；

根据题本发明一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法的另一个优实施例，上述纹理点G的颜色值通过以下方法得到：

已知屏幕点C到屏幕中心点O之间的距离OC、与屏幕点C相对应坐标的纹理基准点D、屏幕到背景纹理之间的距离CD和自定义的水珠中心高度h，则通过

$R=\frac{h^2+{\mathrm{OP}}^2}{2h}$

得出水珠半径R，

纹理点G到纹理基准点D的偏移距离GD的长度计算如下：

GD＝HD*tan(a)，

HD＝CD-HC

HC＝HL-CL

CL＝R-h

$\mathrm{HL}=\sqrt{R^2-{\mathrm{OC}}^2},$

因此，偏移距离GD为

$\mathrm{GD}=(\mathrm{CD}-(\sqrt{R^2-{\mathrm{OC}}^2}-(R-h)))*\tan \left(a\right)$

通过偏移距离GD得出纹理点G的颜色值作为屏幕点C的颜色值。

上述与屏幕点C相对应坐标的纹理基准点D，即是没有水珠时，屏幕上的屏幕点C所显示的颜色值是背景纹理中的纹理基准点D的颜色值。

更进一步的技术方案是上述水珠曲面进行光线折射渲染后进行最大数量控制和水珠的产生与消退处理。如果设定屏幕上最大的水珠数是N，其中M个水珠处于消退过程中，其中M<N。那么，当屏幕上出现N个水珠时，屏幕上现存最先出现的水珠高度和透明度都是刚产生时的1/M倍，这样该水珠在下一个水珠产生时就会消失，下一个水珠产生时，剔除现存最老的水珠，现存最老的水珠之后产生的M-1个水珠的高度和透明度都自乘以1/M，来逐渐进行消退变化。

图4是采用无水珠的屏幕空间镜头，图5是采用本发明一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法的一个实施例所渲染而成的有水珠的屏幕空间镜头，通过两张图片的对比可得出，本发明所渲染的水珠效果非常逼真，完全能满足使用者视觉效果的要求，而且水珠的计算方式极大的简便化，使本方法可以在一般配置的电脑上也能进行，水珠的个数完全可以自由设定，非常方便。

本发明中：

O：屏幕中心点，

B：屏幕上x轴坐标为Ui，y轴坐标为Vj的像素点，

OB：屏幕中心点(O)与UiVj像素点(B)的线段，

A：基准点，

OA：屏幕中心点(O)与基准点(A)的线段，且平行于Y轴，

n1：空气的折射率，

n2：水的折射率，

R：水珠半径，

H：自定义的水珠中心高度，

P：边界曲线上一点，

OP：边界曲线点(P)到屏幕中心点(O)的长度，

HD为自定义的水珠中心高度H到纹理基准点D的距离、HC为自定义的水珠中心高度H到屏幕点C的距离、HL为水珠中心高度H到虚拟高度基准点L的距离、CL为屏幕点C到虚拟高度基准点L的距离。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (4)

1.一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法，其特征在于包括以下步骤：

用着色语言渲染到场景纹理Texture_Scene，将Texture_Scene传入屏幕水珠渲染PASS_WaterDropRender；

向Pass_WaterDropRender导入一张随机数噪声纹理Texture_RandomNoise和一张Simplex噪声纹理Texture_SimplexNoise；

通过对随机噪声纹理Texture_RandomNoise的噪音值采样计算，获取水珠可以在屏幕上出现的多个随机位置；

每个随机位置的坐标作为水珠的屏幕中心点O，生成水珠在屏幕上的随机边界曲线；简化水珠曲面；

计算光线折射的偏移量，对水珠曲面进行光线折射，通过与屏幕坐标相对应的背景纹理颜色值渲染出水珠内的颜色值；

所述生成水珠在屏幕上的随机边界曲线，是利用Simplex噪声纹理的Texture_SimplexNoise来生成，在屏幕空间中设定遍历到一个UiVj像素点B，屏幕中心点O与UiVj像素点B的线段为UiVj像素段OB，则UiVj像素段OB经过边界曲线的点为边界曲线点P，边界曲线点P到屏幕中心点O的长度OP通过以下方法得到：

设一基准点A,其与屏幕中心点O的线段OA平行于Y轴，且方向指向Y轴正方向，从线段OA开始，将水珠边界曲线等分为N份，通过UiVj像素段OB和基准点A到屏幕中心点O的线段OA，利用夹角公式

来计算UiVj像素段OB属于哪个等分区，采用

计算分区索引Index，其中Δβ表示每个等分区的夹角，即

得到Index的情况下，将Simplex噪声纹理Texture_SimplexNoise中像素位置颜色的红色分量的值Texel_Red取出，将Texel_Red乘以一个缩放因子θ得出边界曲线点P到屏幕中心点O的长度OP；

依次取N为不同份时，算出不同边界曲线点P到屏幕中心点O的长度OP并通过Simplex噪声纹理将具有不同长度OP的边界曲线点P连续起来得出水珠的随机边界曲线。

2.根据权利要求1所述的一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法，其特征在于：所述简化水珠曲面是在得到边界曲线的情况下，自定义水珠中心高度点O_h，随机边界曲线上取边界曲线点P，延长中心高度点O_h到屏幕中心点O得到虚拟中心高度线段O_hO_Cirlce，延长曲面点P得到的虚拟边界线段PO_Circle，所述虚拟中心高度线段O_hO_Cirlce与虚拟边界线段PO_Circle等长时交汇得到虚拟圆心O_Circle，以虚拟圆心O_Circle为圆点作出经过水珠中心高度点O_h和边界曲线点P形成的弧线即为简化曲面。

3.根据权利要求1所述的一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法，其特征在于：所述计算光线折射的偏移量，对水珠曲面进行光线折射，通过与屏幕坐标相对应的背景纹理颜色值渲染出水珠内的颜色值，其方法如下：

取位于水珠内的屏幕点C，与屏幕点C相对应的水珠点H，通过光线从空气射入水珠的入射角i和折射角r，以及空气的折射率n1和水的折射率n2，利用公式

计算出从水珠点H折射到屏幕点C的光线射入角度，在结合水珠点H与背景纹理之间的距离得出背景纹理上的纹理点G的颜色值为屏幕点C的颜色值。

4.根据权利要求3所述的一种屏幕空间镜头水珠实时渲染方法，其特征在于：所述纹理点G的颜色值通过以下方法得到：

已知屏幕点C到屏幕中心点O之间的距离OC、与屏幕点C相对应坐标的纹理基准点D、屏幕到背景纹理之间的距离CD和自定义的水珠中心高度h，则通过得出水珠半径R，纹理点G到纹理基准点D的偏移距离GD的长度计算如下：

GD＝HD*tan(a)；

HD＝CD-HC；

HC＝HL-CL；

CL＝R-h；

因此，偏移距离GD为

通过偏移距离GD得出纹理点G的颜色值作为屏幕点C的颜色值。