CN104217461A - 一种基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法，主要包括：基于预设的游戏场景，设置3D场景或模型，并对3D场景或模型的贴图进行处理；通过对3D场景或模型的贴图处理结果，采用射线追踪算法，得到用户视觉实现所看到点A真实的纹理像素，实现3D场景或模型的真实凹凸效果；优化用户视觉实现所看到点A真实的纹理像素，得到该纹理像素的颜色值，并计算该纹理像素的光照值。本发明所述基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法，可以克服现有技术中视觉效果差、画面缺乏真实感和适用范围小等缺陷，以实现视觉效果好、画面具有真实感和适用范围广的优点。

Description

一种基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体地，涉及一种基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法。

背景技术

随着图形学的发展，人们对计算机生成的图形的质量和速度要求越来越高，可以显著提高图形的真实感而实现代价适中的映射技术，同时也广泛的应用与游戏行业，以后游戏朝向真实照片级的画面方向发展，运用映射技术在3D绘图中的运用可增强3D物体的质感和层次感，极大程度上提高了画面的真实度。本发明是实现一种能够实时改变视角方向来提高场景或模型的真实感。

目前的模型表面的凹凸是一般是有法线贴图来实现，但是当相机拉近的时候，我们可以看到这种视觉的“假象”凹凸，但是这种凹凸虽然实现了视觉的凹凸，但是模型表面本身这个特点并没有改变，所以当视角与平面的角度越接近平行的时候，看上去很平，没有凹凸感，这种方法普遍应用于游戏中。

为了解决上述问题，需要基于其基础提出一种对凹凸映射的改良方法，视察映射和凹凸映射其宗旨是一样的，为的是能够以很小的代价实现模型表面上的一些比较粗糙细致的细节来对模型进行描述。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在视觉效果差、画面缺乏真实感和适用范围小等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法，以实现视觉效果好、画面具有真实感和适用范围广的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法，主要包括：

a、基于预设的游戏场景，设置3D场景或模型，并对3D场景或模型的贴图进行处理；

b、通过对3D场景或模型的贴图处理结果，采用射线追踪算法，得到用户视觉实现所看到点A真实的纹理像素，实现3D场景或模型的真实凹凸效果；

c、优化用户视觉实现所看到点A真实的纹理像素，得到该纹理像素的颜色值，并计算该纹理像素的光照值。

进一步地，在步骤a中，所述对3D场景或模型的贴图进行处理的操作，具体包括：

给3D场景或模型赋予漫反射贴图和法线贴图，并引入高度图；

高度图在法线贴图的一个alpha通道里；或者，高度图单独保存，但高度图必须和法线图相对应。

进一步地，所述步骤b，具体包括：

⑴视差映射的原理可以沿着视点方向平移纹理坐标来实现纹理图像的真实感绘制，不正确的纹理坐标偏移量将导致纹理图像的移动现象，通过纹理坐标值与高度值得能够得到用户所看到点A真实的纹理像素；

设定摄像机到A点的向量方向为射线跟踪的方向，而实际是模型表面的光经过发射后用户才看到物体颜色的，而这个方向规定为射线跟踪的反方向；

设定一个定制步长，而步长和迭代次数满足这样的一种关系：

；

依次把步进高度与曲面虚线高度值做比较，当步进的高度小于高度值高度，继续步进，直到步进的高度大于高度值高度，停止步进；

⑵设定最后一次步进与高度图和射线跟踪方向的交点分别设为Q1(a0,y0)和P1(a0,x0 )前一次步进与高度图和射线跟踪方向的交点分别为 P2(a1,x1)和Q2(a1,y1)；

利用数学原理同一直线上任意两点的斜率相等，能够看出P1P2和Q1Q2的相交点K（a3,m），由该四个点的坐标，利用斜率能够得到计算公式：

P1P2的斜率和P1和k点的斜率相同，得出计算公式（1）：

；

Q1Q2的斜率和Q1和K点的斜率相同，得出计算公式（2）：

；

由公式（1）、公式（2）得出K点的m值：

；

那么1-m的值就是K点的高度值，进而求得点的坐标，通过K点的坐标至少能够得出K点高度值、法线值、光照值和贴图颜色值；

⑶用K点的颜色值和高度值替代A点的高度值和颜色值，形成凹凸的效果。

进一步地，所述步骤c，具体包括：

基于计算得到的K值，采用mipmap过滤技术实现视觉化表现，将模型的贴图被处理成有一系列被预计算和优化过的图片组成的文件，贴图中每一个层级的小图都是有主图的一个特定比例的缩小而成的复制品。

在视差映射里有高度图，需要设定层次贴图，由GPU对模型的纹理分割成不同分辨率下的贴图类型：当相机靠近模型时，采用细节丰富的高分辨率贴图；当相机远离模型时，采用粗糙低分辨率下的贴图。

本发明各实施例的基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法，由于主要包括：基于预设的游戏场景，设置3D场景或模型，并对3D场景或模型的贴图进行处理；通过对3D场景或模型的贴图处理结果，采用射线追踪算法，得到用户视觉实现所看到点A真实的纹理像素，实现3D场景或模型的真实凹凸效果；优化用户视觉实现所看到点A真实的纹理像素，得到该纹理像素的颜色值，并计算该纹理像素的光照值；从而可以克服现有技术中视觉效果差、画面缺乏真实感和适用范围小的缺陷，以实现视觉效果好、画面具有真实感和适用范围广的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法中模型表面的漫发射贴图；

图2为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法中模型表面的法线贴图；

图3为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法中只加入法线贴图，渲染后模型侧面示意图；

图4为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法中只加入法线贴图，渲染后模型正面示意图；

图5为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法中高度图的存储通道图；

图6为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法中Alpha1中的高度图；

图7为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法中加入法线和高度图，渲染后模型侧面示意图；

图8为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法中加入法线和高度图，渲染后模型正面示意图；

图9为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法中视差映射的算法分析图；

图10为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法中纹理采样高低分辨率示意图；

图11为本发明基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法基于高度图的视差映射算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1-图11所示，提供了一种基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法，具体为针对模拟真实的凹凸效果的一种视差映射方法，属于计算机图形学技术。

本发明的技术方案，首先在3D制作软件中对模型做以下处理，因为我们视差映射是模拟现实场景中的效果，所以必须要对模型的贴图进行处理，模型的贴图不但有自己的漫反射贴图（图1）外，还需要有法线贴图（如图2），目前一般模型的凹凸是由法线贴图片来完成。

当模型表面以这种贴图来渲染时，得到的是如图3（侧面）和如图4（正面）的结果。

从图3 可以看出在相机靠近的时候，侧面的模型表面没有凹凸效果，而当相机垂直于圆盖模型时，这是因为有法线贴图的原因看到有“实际”的凹凸效果。

为了解决图3的问题，我们对模型的处理方面引入了高度图。高度图在法线贴图的一个alpha通道里，也可以单独保存一张高度图（图5），但是注意：高度图必须和法线图相对应。

在图像处理软件中，Alpha通道保存灰度图，里面只有黑白灰三个像素的颜色的值。

我们加入了这个高度图来渲染这个圆盖，侧面如图7所示，正面如图8所示。

从上面的图中可以看出，当视线垂直与模型观察是，得到都是有凹凸效果的，对同一旋转角度而言，图7所示不在是像图3那样平滑，而是实现了真实的凹凸效果。具体我们是采用以下算法：

通过这一张高度图和射线追踪的算法来实现这样真实凹凸效果：

视差映射的原理可以沿着视点方向平移纹理坐标来实现纹理图像的真实感绘制，然而不正确的纹理坐标偏移量将导致纹理图像的移动现象，通过纹理坐标值与高度值得可以得到我们所看到点A真实的纹理像素。我们根据图9，设定摄像机到A点的向量方向为我们射线跟踪的方向，而实际是模型表面的光经过发射后我们才看到物体颜色的，而这个方向我们规定为射线跟踪的反方向。我们的视角发生的变换与模型表面的法线也有不同的夹角，当视线方向接近于垂直时，夹角越大，迭代次数越小，当视线方向接近与平行时，夹角越小，迭代次数越大。

设定我们射线跟踪的步长和步次也决定步进高度，这个高度就是整个高度值（通常设为1）的最大值减去步长，如果步进高度大于高度值高度，会进一步步进，步进第二次高度为1-2*步长，……

我们会设定一个定制步长，而步长和迭代次数满足这样的一种关系：

；

依次我们把步进高度与曲面虚线高度值做比较，当步进的高度小于高度值高度，继续步进，直到步进的高度大于高度值高度，停止步进。

我们设定最后一次步进与高度图和射线跟踪方向的交点分别设为Q1(a0,y0)和P1(a0,x0 )前一次步进与高度图和射线跟踪方向的交点分别为 P2(a1,x1)和Q2(a1,y1)

从图9上我们利用数学原理同一直线上任意两点的斜率相等，可以看出P1P2和Q1Q2的相交点K（a3,m），由该4点的坐标我们可以利用斜率得到计算公式。

P1P2的斜率和P1和k点的斜率相同。我们可以得出计算公式（1）：

；

Q1Q2的斜率和Q1和K点的斜率相同，我们可以得出计算公式（2）：

；

由公式（1）、公式（2）我们可以得出K点的m值：

；

而1-m的值就是K点的高度值，进而可以求得点的坐标，有了K点的坐标我们可以得出K点高度值，法线值，光照值和贴图颜色值等。而K点的颜色值和高度值来替代A点的高度值和颜色值，这样就形成了凹凸的效果。

我们把最后一次步进的点P1和前一次步进点P2和记录下来，而把两次步进高度和曲面高度值的交点对应的记为Q2和Q1，我们把P1P2和Q1Q2的连线的交点K，这个K点的纹理UV值替代A点纹理UV值。从上述得到K点的高度值，需要计算K点的U,V 坐标，我们需要做如下转化：

我们基于相机和视点A 作一个方向向量，把这个射线向量转化为基于切线空间的三维方向，获取切线空间X,Y分量，即偏移U,V值。而A点的U,V是已知量，那么K点的U,V坐标为：K(U,V)=A(U,V)+偏移U,V*(1-m)。

具体地，根据以上算法通过一个高度图存储的高度值来改变纹理坐标实现纹理。

当我们这样的计算得到的K值，而K点的坐标不一定是真实高度图中看到该点的坐标，有可能不在高度图上的值；为了更精确的比较准确的找到这个高度值，这时我们采用mipmap技术来过滤技术实现视觉化表现，而模型的贴图被处理成有一系列被预计算和优化过的图片组成的文件，而贴图中每一个层级的小图都是有主图的一个特定比例的缩小而成的复制品。使用这个技术来过滤采样，是为加快渲染的速度和减少图像的锯齿。所以mipmap是一堆不同分辨率纹理贴图组成的金字塔结构。高分辨率的mipmap的图像用于靠近摄像机时，低分辨率mipmap的图像用于远离摄像机时。

在没有高度图时，GPU硬件托管来获取GPU分布好的层次贴图，自动来捡取不同层次的贴图采样，无需我们计算。但在视差映射里我们有高度图，这个时候需要用程序设定层次贴图。由GPU对模型的纹理分割成不同分辨率下的贴图类型，参见图10：当相机靠近模型时，采用细节丰富的高分辨率贴图（1），当相机远离模型时，采用粗糙低分辨率下的贴图（2）或者（3）。

本发明的技术方案，实际是提高了玩家的视觉化表现，通过不影响游戏速度的情况下，使场景中的模型更加的有深度和真实感，同时也是我们游戏中一直所追求要达到照片级游戏画面的一个进步。本发明是以我们观察方向为射线跟踪方向和步长，计算我们观察着所看到的实际的纹理像素值，而模型的轮廓不受影响。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)

1.一种基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法，其特征在于，主要包括：

a、基于预设的游戏场景，设置3D场景或模型，并对3D场景或模型的贴图进行处理；

b、通过对3D场景或模型的贴图处理结果，采用射线追踪算法，得到用户视觉实现所看到点A真实的纹理像素，实现3D场景或模型的真实凹凸效果；

c、优化用户视觉实现所看到点A真实的纹理像素，得到该纹理像素的颜色值，并计算该纹理像素的光照值。

2.根据权利要求1所述的基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法，其特征在于，在步骤a中，所述对3D场景或模型的贴图进行处理的操作，具体包括：

给3D场景或模型赋予漫反射贴图和法线贴图，并引入高度图；

高度图在法线贴图的一个alpha通道里；或者，高度图单独保存，但高度图必须和法线图相对应。

3.根据权利要求2所述的基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法，其特征在于，所述步骤b，具体包括：

⑴视差映射的原理可以沿着视点方向平移纹理坐标来实现纹理图像的真实感绘制，不正确的纹理坐标偏移量将导致纹理图像的移动现象，通过纹理坐标值与高度值得能够得到用户所看到点A真实的纹理像素；

设定摄像机到A点的向量方向为射线跟踪的方向，而实际是模型表面的光经过发射后用户才看到物体纹理颜色的，而这个方向规定为射线跟踪的反方向；

设定一个定制步长，而步长和迭代次数满足这样的一种关系：

；

依次把步进高度与曲面虚线高度值做比较，当步进的高度小于高度值高度，继续步进，直到步进的高度大于高度值高度，停止步进；

⑵设定最后一次步进与高度图和射线跟踪方向的交点分别设为Q1(a0,y0)和P1(a0,x0 )前一次步进与高度图和射线跟踪方向的交点分别为 P2(a1,x1)和Q2(a1,y1)；

利用数学原理同一直线上任意两点的斜率相等，能够看出P1P2和Q1Q2的相交点K（a3,m），由该四个点的坐标，利用斜率能够得到计算公式：

P1P2的斜率和P1和k点的斜率相同，得出计算公式（1）：

；

Q1Q2的斜率和Q1和K点的斜率相同，得出计算公式（2）：

；

由公式（1）、公式（2）得出K点的m值：

；

那么1-m的值就是K点的高度值，进而求得点的坐标，通过K点的坐标至少能够得出K点高度值、法线值、光照值和贴图颜色值；

⑶用K点的颜色值和高度值替代A点的高度值和颜色值，形成凹凸的效果。

4.根据权利要求3所述的基于深度图模拟实时凹凸效果的视差映射方法，其特征在于，所述步骤c，具体包括：

基于计算得到的K值，采用mipmap过滤技术实现视觉化表现，将模型的贴图被处理成有一系列被预计算和优化过的图片组成的文件，贴图中每一个层级的小图都是有主图的一个特定比例的缩小而成的复制品；

在视差映射里有高度图，需要设定层次贴图，由GPU对模型的纹理分割成不同分辨率下的贴图类型：当相机靠近模型时，采用细节丰富的高分辨率贴图；当相机远离模型时，采用粗糙低分辨率下的贴图。