CN104077802B - 增强虚拟场景实时仿真图像显示的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种增强虚拟场景实时仿真图像显示的方法。该方法是：对固定物体预先渲染生成静态图片；对可更换物体通过3D模型进行实时渲染；将实时渲染得到的实时渲染图像与预先渲染生成的静态图片，通过shader计算合成一张仿真图像进行显示；所述固定物体是指无需更换的物体，所述可更换物体是指待展示的物体。本发明方法，不仅提高了再现虚拟空间的显示效果，同时减少了更换图片的方法在前期处理工作中所需的巨大工作量。且仅实时渲染可更换物体，减少了计算量，降低了计算硬件的要求，降低了计算硬件的成本。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体而言，涉及一种增强虚拟场景实时仿真图像显示的方法。
背景技术
目前，通常采用两种方法实现产品在虚拟空间的表现。一种方法是通过3D模型更换不同材质的物体，添加实时shader来表现产品。另一种方法是通过展示预先渲染生成的产品照片，来表现不同产品在虚拟空间的视觉效果。
针对3D模型的产品在虚拟空间的展示方法，3D模型的高精度实时渲染工作量大，对时间要求长，通常在几十分钟或者几个小时才能展示出产品在虚拟空间中的视觉效果，不适合产品实时展示。然而，渲染工作下，简单模拟环境的shader渲染方式精度低，虚拟效果差，不适合产品的视觉展示。
针对展示预先渲染的产品照片的方式，通常渲染一张图片需要几十分钟到几小时不等，如果一个场景中要更换产品，就要渲染出产品在该场景中的所有图片，工作量大。由于渲染工作量大，因此现有的实现方式，多以不同的场景对应有限数量的产品，一个虚拟空间中可以更换的产品少。此外，渲染后光影固定不能修改，即是说，场景在渲染后就已固定，不能修改光影效果，显得呆板不灵活。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强虚拟显示的图像渲染方法及装置，以解决上述产品在虚拟空间中实时展示工作量大、耗时长、显示效果较差的问题。
本发明提供的增强虚拟场景实时仿真图像显示的方法，对固定物体预先渲染生成静态图片；对可更换物体通过3D模型进行实时渲染；将实时渲染得到的实时渲染图像与预先渲染生成的静态图片，通过shader计算合成一张仿真图像进行显示；所述固定物体是指无需更换的物体，所述可更换物体是指待展示的物体。
上述方法，具体的，包括以下步骤：
根据现实场景建立虚拟空间模型；
对虚拟空间模型进行渲染，得到渲染后的静态图片，渲染后的静态图片包括虚拟空间模型渲染图、光照阴影图和空间光照反射图；
在渲染得到的静态图片中，去掉可更换物体，使可更换物体所处区域变为透明，得到优化后的渲染图片；
在建立的虚拟空间模型中，去掉固定物体的模型，仅保留可更换物体的模型，得到优化后的虚拟空间模型；
在优化后的虚拟空间模型中更换可更换物体，对更换后的可更换物体进行实时渲染，得到可更换物体的实时渲染图像；
将可更换物体的实时渲染图像和优化后的渲染图片，通过shader计算合成为一张仿真图像显示。
所述在优化后的虚拟空间模型中更换可更换物体，对更换后的可更换物体进行实时渲染的方法是：在虚拟展示工具中添加优化后的虚拟空间模型渲染图、光照阴影图、空间光照反射图及可更换物体的模型，构成虚拟空间；设置虚拟展示工具中虚拟空间的灯光系统，使其与3D制图工具中虚拟空间模型中的灯光系统一致；将虚拟镜头置于所述设定位置，虚拟镜头对可更换物体的模型取景，生成可更换物体模型的实时渲染图。
在实际环境中视角和光源固定的情况下，物体产生的光影的方式固定。光影随物体的材质，颜色等不同而略有不同。虚拟现实的应用中，在视角和光源相对改变的情况比较多。这种情况下不可更换的物体的光影是相对固定的，这部分光影可以提取出来；而可更换的物体则可以通过实时shader表现物体的材质和颜色。可更换的物体通过模型进行实时渲染，可以保障渲染精度高，虚拟显示效果好；而不可更换的物体预先渲染生成静态图片，实时展示时直接使用渲染生成的静态图片，可以大大降低实时渲染的工作量，减少工作时长。本发明方法正是基于上述原理，将可更换的物体通过实时shader计算出的图像和不更换物体部分预先渲染生成的图片通过shader计算产生最终结果的图像，进行显示，这种图片与模型结合使用的展示方式，不仅可以提高再现虚拟空间的效果，同时可以减少对计算硬件的要求和减少换图片展示方法在前期处理工作中所需的巨大工作量。
本发明实现的技术效果：本发明提供的增强虚拟场景实时仿真图像显示的方法，对可更换的物体通过3D模型进行实时渲染，对不可更换的物体预先渲染生成静态图片，通过图片与模型的结合，将实时shader计算出的动态图像与预先渲染生成的静态图片合成在一起进行显示，不仅提高了再现虚拟空间的效果，同时减少了更换图片展示方法在前期处理工作中所需的巨大工作量。仅实时渲染可更换的物体，减少了计算量，降低了计算硬件的要求，降低了计算硬件的成本。
附图说明
图1示出了本发明提供的增强虚拟空间实时仿真图像显示方法的流程；
图2示出了实时展示不同材质地板在虚拟客厅中的虚拟仿真图像的流程。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
虚拟现实应用是在虚拟空间中模拟真实场景，生成仿真图像以展示不同产品在真实场景中的效果。在视角和光源固定的情况下，不可更换的物体的光影是相对固定的，这部分光影可以提取出来，重复利用。基于这个原理，本发明提供的增强虚拟场景实时仿真图像显示的方法，是对固定物体(即无需更换展示的物体)预先渲染生成静态图片；对可更换物体(即是指待展示的物体)通过3D模型进行实时渲染；然后将实时渲染得到的实时渲染图像与预先渲染生成的静态图片，通过shader计算合成一张仿真图像进行显示。
具体的，参阅图1，本发明提供的增强虚拟场景实时仿真图像显示的方法，包括步骤：
S100：根据现实场景的空间布局及物体尺寸，利用CAD制图工具进行平面布局模拟及尺寸放样，得到CAD放样图纸。再根据CAD放样图纸，利用3D制图工具进行数字化建模，并将可更换物体进行标记，得到虚拟空间模型。利用CAD制图及3D制图工具建模为现有技术，因此此处未作过多描述。
S200：对虚拟空间模型进行渲染，得到整个虚拟空间模型渲染后的静态图片、光照阴影图和空间光照反射图。具体的，包括以下几个步骤：
根据现实场景中各物体的纹理与特性，将虚拟空间模型中相应的物体模型赋予相应的模拟贴图及特性参数。
根据现实场景的灯光布局及光线强弱、颜色，对虚拟空间模型进行灯光布置，使虚拟空间模型中的灯光系统与现实场景中的灯光系统保持一致。
在虚拟空间模型中的设定的合适位置，布置3D制图工具中的虚拟相机，通过虚拟相机模拟人的视角，在虚拟相机中展示整个虚拟空间模型的构图。
通过3D制图工具内置的渲染器进行渲染图的参数设置，包括渲染图的格式和规格尺寸，保存位置以及元素通道(元素通道是指渲染图中物体不同特性的元素，包括阴影、反射、光照、折射、漫反射、以及不同物体单色的颜色区分通道)，3D制图工具自动根据虚拟空间模型中各物体模型设置好的物体贴图、特性参数和灯光布置进行模拟计算，最终将计算得出的结果以图片的形式输出到指定的保存位置，完成虚拟空间场景渲染，得到渲染后的虚拟空间模型静态图片、光照阴影图和空间光照反射图。根据物体模型的物体贴图、特性参数和灯光的布置进行模拟计算并输出图片的过程为现有技术，因此此处未作过多描述。
S300：优化渲染后得到的图片，即是说，在渲染后得到的图片中，去掉可更换物体，使可更换物体所处区域变为透明，即得到优化后的渲染图片。将整个虚拟空间模型渲染后的静态图片进行优化，保留不可更换物体部分。在进行虚拟空间仿真图像实时展示时，可以直接将优化后的渲染图片多次重复利用，大大的节省了实时渲染的工作量。
S400：在步骤S100中建立的虚拟空间模型中，将虚拟空间模型优化到最小最佳状态。即是说，去掉固定物体的模型，仅保留可更换物体的模型，得到优化后的虚拟空间模型。将整个虚拟空间模型进行优化，仅保留可更换物体部分，在进行虚拟空间仿真图像实时展示时，只需要对模型中更换后的可更换物体进行实时渲染，极大的降低了实时渲染的工作量，降低了对硬件设备的要求。
S500：在优化后的虚拟空间模型中更换可更换物体，对更换后的可更换物体进行实时渲染，得到可更换物体的实时渲染图像。然后将可更换物体的实时渲染图像和优化后的渲染图片，通过shader计算合成为一张仿真图像显示。
本步骤具体的，在虚拟展示工具中添加优化后的虚拟空间模型渲染图、优化后的光照阴影图、空间光照反射图和优化后的可更换物体的模型，以构成虚拟空间。将虚拟镜头对齐到3D模型同样的位置，即与上述3D模型中模拟人的视角的虚拟相机位置保持一致，并保持其方向和FOV同整个虚拟空间模型渲染时一致。设置虚拟展示工具中虚拟空间的灯光，与3D制图工具中虚拟空间模型中的灯光效果一致。虚拟镜头对优化后的可更换物体的模型取景，生成实时渲染图。虚拟展示工具中的渲染过程与3D制图工具中渲染过程相同，此处不作赘述。
通常情况下灯光分为平行光源、点状光源和射线光源。平行光源通常用作模拟自然的日光等外界环境光源，其效果不受距离远近的影响。点状光源是球形光源，其亮度随距离增加而降低，适合模拟方向上不受遮挡的日光灯等。射线光源有方向性，是锥形光源，其亮度随距离的增加而降低，射线光源适合模拟手电筒等单方向性光源。点状光源和射线光源可以添加遮罩图片来模拟灯罩等阴影效果。调整光源的亮度，衰减强度，锥形角度，灯罩图片等参数，以增加虚拟空间的真实度。为了模拟真实环境中的光照，可以使用不同的光照模型来提高图像的真实度。例如Lambert光照模型是一种简单漫反射光照模型，此外比较经典的有Phong光照模型，Blinn-Phong光照模型。
以Blinn-Phong光照模型为例讲解不同材质最终在虚拟场景中的过程。Blinn-Phong光照模型的公式如下。
KS为材质的镜面反射系数，Il是点光源强度，N是顶点法向量，H是半角向量，Ns为高光指数。Il是点光源强度，N是顶点法向量，H是半角向量是固定不变的，通过改变材质的镜面反射系数和高光指数就可以改变材质在光照下的表现效果，此时从虚拟镜头中可以得到虚拟场景的实时图像。
将优化后的虚拟空间模型渲染图、处理后的光照阴影图、空间光照反射图和本步骤生成的实时渲染图(仅是可更换物体模型的渲染图)通过CG，HLSL，GLSL等编程语言，利用显示设备的并行计算能力快速的进行图片像素运算，合成一张包含可更换物体和固定物体的图片进行显示。每个像素点分为红、绿、蓝三个分类(此处使用RGB颜色模型，也可使用CMYK等颜色空间模型)，分别标记为R，G，B。实现图片处理效果最终归结为对像素点3个分量的计算。本实施例中，采用"柔光"模式图像计算方法，将前期渲染生成并优化后的图片与实时生成的实时渲染图像合成一张图片显示。"柔光"模式至多把图像的反差和饱和度增大到原来四分之一的程度，最终颜色变暗或变亮，具体取决于混合色。如果混合色(光源)比50％灰色亮，则图像变亮,就像被减淡了一样，如果混合色(光源)比50％灰色暗，则图像变暗,就像被加深了一样。公式：
A<＝0.5:C＝(2*A-1)*(B-B*B)+B
A>0.5:C＝(2*A-1)*(sqrt(B)-B)+B
其中C为最终颜色值，A为底色，B为覆盖在A上面的颜色。将显示设备计算出的像素和图片通过运算，最终将在显示设备中得到虚拟场景实时仿真图像以进行显示。
为了更加清楚的阐述本发明方法，下面以展现不同材质的地板(如不同种类的木料地板、不同种类的地砖)铺装在客厅中的效果的实例进行说明。本实例中，不同材质的地板为可更换物体，客厅中的墙壁、家具、灯饰等为固定物体，即不可/无需更换的物体。
参阅图2，本实例中增强虚拟显示的图像渲染方法，包括客厅的虚拟空间场景制作步骤，客厅的3D模型渲染步骤，渲染图片与客厅模型的优化步骤，虚拟效果实现步骤。
客厅的虚拟空间模型制作步骤：首先根据客厅实景图，用CAD进行平面布局模拟，立体造型的尺寸放样。为了实现良好的虚拟效果，再利用3D建模工具，通过CAD精确的放样图纸，进行高精度的数字化建模，通过细节的逐步调整，最终将模型做到和真实的客厅一样，并将可更换物体(地板)的模型进行颜色的区分。
客厅的3D模型渲染步骤包括：1)根据现实场景中各物体的纹理与特性，将虚拟空间模型中的该物体的模型赋予相应的模拟贴图及特性参数。例如：现实中铺设的一种木地板表面纹理是树木的纹理，并且具有亚光的特性，即具有一定的光泽度，那么在虚拟空间模型中，木地板的模型表面也相应的被赋于真实树木的纹理贴图，并且将木地板的模型的光泽度设置成亚光的参数。即是说，通过对虚拟空间场景中木地板的模型赋予真实树木的纹理贴图，以及进行相应的亚光参数设置，使得虚拟空间模型中木地板的模型与现实场景中木地板的特性保持一致，实现真实物体在虚拟空间场景中的真实展示。
2)虚拟空间场景中各物体的模拟贴图和特性参数设置完成后，通过3D制图工具的灯光系统，根据现实客厅的灯光布局和自然环境的光线关系，对客厅的3D模型进行真实布光。例如：虚拟的客厅模型中，天花吊顶上不同的位置设计有暖色的筒灯和暖色的反光灯槽，电视背景墙上面设计有射灯，沙发边几上布置有台灯，客厅天花中间有主灯，餐桌上面有餐厅灯，还有室外的太阳光和天空光透过窗子和阳台照射进客厅的光线，上述这些都会通过3D制图工具中的灯光系统工具库，在模型中相应的位置，根据现实中光线的强弱、颜色进行模拟布光，使虚拟的客厅模型的灯光系统与现实客厅的灯光系统保持一致。
3)本实例中，需要展示不同的木地板铺装在客厅中的效果。人站在进门的位置看整个客厅铺装的木地板视线效果比较好，展示面积较合适。那么在灯光系统设置好以后，在虚拟空间模型中进门的位置，根据一般人的高度设置一个虚拟相机来展示整个客厅的构图。
4)完成上述步骤后，通过3D制图工具内置的渲染器设置好渲染图的格式和规格尺寸，保存位置以及元素通道，3D制图工具自动根据虚拟虚拟的客厅模型中各物体模型设置好的物体贴图、特性参数和灯光的布置进行模拟计算，输出虚拟的客厅模型的渲染图和元素通道图。
渲染图片与客厅模型的优化步骤：首先将客厅模型渲染后得到的渲染图片，利用颜色通道图，将地板部分清除，使得该部分变为透明。在虚拟的客厅模型中，仅保留地板的模型，其余部分删除。
虚拟效果实现步骤：在虚拟展示工具中添加清除掉地板后的客厅模型渲染图片、清除掉地板后的光照阴影图、清除掉地板后的空间光照反射图和优化后的地板的模型。将虚拟镜头对齐到虚拟的客厅模型的进门位置，从虚拟镜头中可以得到虚拟场景的实时图像。在优化后的地板的模型中更换不同材质的地板，对更换后的地板进行实时渲染，得到更换后的地板的实时渲染图像。利用RGB颜色模型，以"柔光"模式的图像计算方法，对清除掉地板后的客厅模型渲染图片、光照阴影图、空间光照反射图和地板的实时渲染图像进行像素运算，合成为一张实时仿真图进行显示。在实时展示时，只需要在地板模型中更换不同材质的地板并对地板模型进行实时渲染，再结合渲染后的客厅静态图即可实现不同材质的地板在虚拟空间中的实时仿真图像显示，不仅提高了虚拟效果，还极大的缩短了渲染时间。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种增强虚拟场景实时仿真图像显示的方法，其特征在于，对固定物体预先渲染生成静态图片；对可更换物体通过3D模型进行实时渲染；将实时渲染得到的实时渲染图像与预先渲染生成的静态图片，通过shader计算合成一张仿真图像进行显示；所述固定物体是指无需更换的物体，所述可更换物体是指待展示的物体，具体的，所述方法包括：
根据现实场景建立虚拟空间模型；
对虚拟空间模型进行渲染，得到渲染后的静态图片，渲染后的静态图片包括虚拟空间模型渲染图、光照阴影图和空间光照反射图；
在渲染得到的静态图片中，去掉可更换物体，使可更换物体所处区域变为透明，得到优化后的渲染图片；
在建立的虚拟空间模型中，去掉固定物体的模型，仅保留可更换物体的模型，得到优化后的虚拟空间模型；
在优化后的虚拟空间模型中更换可更换物体，对更换后的可更换物体进行实时渲染，得到可更换物体的实时渲染图像；
将可更换物体的实时渲染图像和优化后的渲染图片，通过shader计算合成为一张仿真图像显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据现实场景建立虚拟空间模型的方法是：根据现实场景的空间布局及物体尺寸，利用CAD制图工具进行平面布局模拟及尺寸放样，得到CAD放样图纸；根据CAD放样图纸，利用3D制图工具进行数字化建模，并将可更换物体进行标记，得到虚拟空间模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对虚拟空间模型进行渲染，得到渲染后的静态图片步骤，其包括：
根据现实场景中各物体的纹理与特性，将虚拟空间模型中相应的物体模型赋予相应的模拟贴图及特性参数；
根据现实场景的灯光布局及光线强弱、颜色，对虚拟空间模型进行灯光布置，使虚拟空间模型中的灯光系统与现实场景中的灯光系统保持一致；
在虚拟空间模型中的设定位置布置虚拟相机，以展示整个虚拟空间模型的构图；
设置渲染图像的参数，渲染器根据虚拟空间模型中各物体的模拟贴图、特性参数及灯光布置进行模拟计算，输出渲染后的静态图片。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在优化后的虚拟空间模型中更换可更换物体，对更换后的可更换物体进行实时渲染的方法是：在虚拟展示工具中添加优化后的虚拟空间模型渲染图、光照阴影图、空间光照反射图及可更换物体的模型，构成虚拟空间；设置虚拟展示工具中虚拟空间的灯光系统，使其与3D制图工具中虚拟空间模型中的灯光系统一致；将虚拟镜头置于所述设定位置，虚拟镜头对可更换物体的模型取景，生成可更换物体模型的实时渲染图。
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