CN104240276A - 一种基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，主要包括：对要渲染人物皮肤的对象和场景中其他对象做过滤的筛选；首次渲染人物皮肤，得到Alpha混合得到混合的图像；再次渲染场景得到一张皮肤较薄部分的半透效果图；将上述的半透明的图像和混合后的图像叠加得到最终的渲染效果图。本发明所述基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，可以克服现有技术中渲染难度大、绘制精度差和画面效果不真实等缺陷，以实现渲染难度小、绘制精度好和画面效果真实的优点。

Description

一种基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法

技术领域

本发明涉及计算机图形学技术领域，具体地，涉及一种基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法。

背景技术

随着计算机图形学的发展，人们对虚拟三维世界的认知感的增强，越来越高的画面质量的渲染技术被应用于游戏中，对于真实的人物皮肤的渲染技术一直是研究者的要解决的难题，本发明利用DX9应用程序实现的一种次表面散射的方法，来解决上述问题取得了很好的渲染效果。

次表面散射(Sub Surface Scattering)简称SSS是光射入到非金属材质后在内部发生散射，最后射出物体并进入视野中产生了现象，这种散射使照明的整体效果变的柔和；当光线传入物体越深，光线衰减和散射得越严重，主要用于不完全透明材质内部表现的一种真实光影特效。目前为了得到这种渲染效果一般是利用Blinn-Phong 、BRDF 来处理模型的明暗渲染效果，这样渲染出的效果绘制精度差，画面效果不真实。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在渲染难度大、绘制精度差和画面效果不真实等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，以实现渲染难度小、绘制精度好和画面效果真实的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，主要包括：

a、对要渲染人物皮肤的对象和场景中其他对象做过滤的筛选；

b、首次渲染人物皮肤，得到Alpha混合得到混合的图像；

c、再次渲染场景得到一张皮肤较薄部分的半透效果图；

d、将上述的半透明的图像和混合后的图像叠加得到最终的渲染效果图。

进一步地，所述步骤a，具体包括：

把纹理图像映射到几何图形中，首先要把纹理加载到内存中，而纹理元素不是再根据内存中的位置放置的，而是利用纹理坐标来确定纹理元素的位置；

基于上述纹理映射的原理，需要对渲染目标的像素的进行筛选，采用的是蒙板过滤的方法把需要的处理的像素标记出来，蒙板中白色部分是需要处理的人物皮肤部分。

进一步地，所述步骤b，具体包括：

b1、首次渲染人物皮肤时，对渲染目标进行多次高斯模糊叠加并得到三张RTF；

b2、对RTF不同的颜色值通道分别进行不同系数的Alpha混合得到混合的图像。

进一步地，所述步骤b1，具体包括：

根据步骤a，把第一次渲染场景的渲染目标设定为渲染目标1即二维纹理；

对渲染目标1中的人物皮肤部分进行高斯模糊，这种模糊被分解为水平方向和竖直方向，将这二维纹理先进行水平方向模糊，得到渲染目标2；

然后对渲染目标2进行竖直方向模糊，同时输出两张相同的纹理，一张是用于下次模糊的渲染目标1，一张用于混合的RTF，然后进行两次同样的操作就能够得到三张RTF图。

进一步地，所述步骤b2，具体包括：

对RTF不同的颜色通道分别进行不同系数的Alpha混合得到混合的图像；

将上述步骤b1，将得到第一张RTF和第二次模糊得到的RTF叠加得到混合后的RTF，此时将得到两张RTF,分别对每张RTF图中三个通道分别进行不同系数的Alpha混合；

通过利用不同系数的混合来模拟不同频率的光线有不同的穿透力，因为光线照射到物体表面，由物体的厚度和衰减系数来决定的；在设置混合时，提供一个浮点数的BlendFactor系数，分别代表RGB的系数；

分别把两张RTF中的R 通道、B通道、G通道颜色值与对应的混合系数BlendFactor相乘得到每个通道混合后的颜色值；

然后对每个通道的颜色值叠加得到一张最终的渲染目标，此时得到的人物的皮肤质感比较明显，相对于没有混合前更加的柔和。

进一步地，在步骤b2中，所述分别把两张RTF中的R 通道、B通道、G通道颜色值与对应的混合系数BlendFactor相乘得到每个通道混合后的颜色值的具体算法如下：

为了区分两张RTF图，分别设为RTF-1,RTG-2；

Rblendcolor=RTF-1的颜色值*R系数+RTG-2的颜色值*（1-R系数）；

Gblendcolor=RTF-1的颜色值*G系数+RTG-2的颜色值*（1-G系数）；

Bblendcolor=RTF-1的颜色值*B系数+RTG-2的颜色值*（1-B系数）；

其中Rblendcolor为R通道混合的颜色值、Gblendcolor为G通道混合的颜色值、Bblendcolor为B通道混合的颜色值，R系数、G系数、B系数分别对应每个通道在每次混合的系数设定表中的参数：

。

进一步地，所述步骤c，具体包括：

基于步骤b1和b2已经达到比较完美的具有质感的皮肤效果，次表面散射在皮肤薄的部分更加明显；

为了模拟更加真实，采用了基于屏幕空间的次表面透明散射，对场景的皮肤对象再次渲染，得到一张具有皮肤较薄的部分半透效果的皮肤轮廓图，该图中会对皮肤薄的耳朵周围部分进行红色半透化显示，而不需要透明的黑色显示。

进一步地，所述步骤d，具体包括：

将步骤c中的半透显示皮肤图与步骤b得到混合的渲染目标进行混合后得到最终的渲染效果，效果更逼真，接近于真实。

本发明各实施例的基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，由于主要包括：对要渲染人物皮肤的对象和场景中其他对象做过滤的筛选；首次渲染人物皮肤，得到Alpha混合得到混合的图像；再次渲染场景得到一张皮肤较薄部分的半透效果图；将上述的半透明的图像和混合后的图像叠加得到最终的渲染效果图；从而可以克服现有技术中渲染难度大、绘制精度差和画面效果不真实的缺陷，以实现渲染难度小、绘制精度好和画面效果真实的优点。

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为本发明基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法中表示一个方形的纹理映射到三角形图元中的过程示意图；

图2为本发明基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法中利用蒙板来过滤渲染对象示意图，其中，（a）为蒙板过滤前的图，（b）为蒙板过滤后的图；

图3为本发明基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法中对渲染目标模糊得到三种RTF图；

图4为本发明基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法中基于屏幕空间次表面散射的流程图。

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。

为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明实施例，如图1-图4所示，提供了一种基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，即基于次表面散射的基础上提出一种SSSSS(Screen Space Sub Surface Scattering)，此渲染效果比目前的渲染效果有明显的提升，尤其是对皮肤物体的渲染。

在三维图形中，需要把真实的三维模型从纹理空间映射到屏幕空间，例如：建筑物墙壁上的装饰图案、木制家具表面等这就利用了纹理映射来达到真实感效果。把纹理图像映射到几何图形中，首先要把纹理加载到内存中，而纹理元素不是再根据内存中的位置放置的，而是利用纹理坐标来确定纹理元素的位置。如图1所示。

映射到屏幕空间的二维纹理称为渲染目标，然后输出到帧缓存中，投射到屏幕空间中。

第一：对要渲染人物皮肤的对象和场景中其他对象做过滤的筛选

基于上述纹理映射的原理，需要对渲染目标的像素的进行筛选，采用的是蒙板过滤的方法把需要的处理的像素标记出来，在图2中蒙板白色的部分是需要处理的人物皮肤部分，这样可以有针对性的对皮肤部分进行处理，以减少浪费，节省绘制的时间。

第二：首次渲染人物皮肤时，对渲染目标进行多次高斯模糊叠加并得到三张RTF(Render Target Final)

根据步骤1，把第一次渲染场景的渲染目标设定为渲染目标1（二维纹理），对渲染目标1中的人物皮肤部分进行高斯模糊，这种模糊被分解为水平方向和竖直方向，将这二维纹理先进行水平方向模糊，得到渲染目标2，然后对渲染目标2进行竖直方向模糊，同时输出两张相同的纹理，一张是用于下次模糊的渲染目标1，一张用于混合的RTF(Render Target Final)，然后进行两次同样的操作可以得到三张RTF图。

第三：对RTF不同的颜色通道分别进行不同系数的Alpha混合得到混合的图像

将上述步骤2，将得到第一张RTF和第二次模糊得到的RTF叠加得到混合后的RTF，此时将得到两张RTF,分别对每张RTF图中三个通道分别进行不同系数的Alpha混合。通过利用不同系数的混合来模拟不同频率的光线有不同的穿透力，因为光线照射到物体表面，由物体的厚度和衰减系数来决定的。本发明在设置混合时，提供一个浮点数（float4）的BlendFactor系数，分别代表RGB的系数。

表4：每个通道在每次混合的系数设定表

分别把两张RTF中的R 通道、B通道、G通道颜色值与对应的BlendFactor(混合系数）相乘得到每个通道混合后的颜色值，具体算法如下：为了区分两张RTF图，分别设为RTF-1,RTG-2。

Rblendcolor=RTF-1的颜色值*R系数+RTG-2的颜色值*（1-R系数）

Gblendcolor=RTF-1的颜色值*G系数+RTG-2的颜色值*（1-G系数）

Bblendcolor=RTF-1的颜色值*B系数+RTG-2的颜色值*（1-B系数）

其中Rblendcolor为R通道混合的颜色值、Gblendcolor为G通道混合的颜色值、Bblendcolor为B通道混合的颜色值。R系数、G系数、B系数分别对应表4中的参数。

然后对每个通道的颜色值叠加得到一张最终的渲染目标，此时得到的人物的皮肤质感比较明显，相对于没有混合前更加的柔和。

第四：再次渲染场景得到一张皮肤较薄部分的半透效果图

基于步骤2和3已经达到比较完美的具有质感的皮肤效果，次表面散射在皮肤薄的部分更加明显，比如：耳朵的周围，一部分是来自上述光线的投射，但无法表达耳朵的透光效果，为了模拟更加真实，采用了基于屏幕空间的次表面透明散射（Screen Space Sub Surface Scattering Tranlucency），我们对场景的皮肤对象再次渲染，得到一张具有皮肤较薄的部分半透效果的皮肤轮廓图，该图中会对皮肤薄的耳朵周围部分进行红色半透化显示，而不需要透明的黑色显示。

第五：将上述的半透明的图像和混合后的图像叠加得到最终的渲染效果

将步骤4中的半透显示皮肤图与步骤3得到混合的渲染目标进行混合后得到最终的渲染效果，这样的效果更逼真，接近于真实。

本发明的技术方案，比目前实现对人物皮肤渲染更具有真实性，操作简单，绘制效率高等优点。

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 (8)

1.一种基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，其特征在于，主要包括：

a、对要渲染人物皮肤的对象和场景中其他对象做过滤的筛选；

b、首次渲染人物皮肤，得到Alpha混合得到混合的图像；

c、再次渲染场景得到一张皮肤较薄部分的半透效果图；

d、将上述的半透明的图像和混合后的图像叠加得到最终的渲染效果图。

2.根据权利要求1所述的基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，其特征在于，所述步骤a，具体包括：

把纹理图像映射到几何图形中，首先要把纹理加载到内存中，而纹理元素不是再根据内存中的位置放置的，而是利用纹理坐标来确定纹理元素的位置；

基于上述纹理映射的原理，需要对渲染目标的像素的进行筛选，采用的是蒙板过滤的方法把需要的处理的像素标记出来，蒙板中白色部分是需要处理的人物皮肤部分。

3.根据权利要求1或2所述的基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，其特征在于，所述步骤b，具体包括：

b1、首次渲染人物皮肤时，对渲染目标进行多次高斯模糊叠加并得到三张RTF；

b2、对RTF不同的颜色值通道分别进行不同系数的Alpha混合得到混合的图像。

4.根据权利要求3所述的基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，其特征在于，所述步骤b1，具体包括：

根据步骤a，把第一次渲染场景的渲染目标设定为渲染目标1即二维纹理；

对渲染目标1中的人物皮肤部分进行高斯模糊，这种模糊被分解为水平方向和竖直方向，将这二维纹理先进行水平方向模糊，得到渲染目标2；

然后对渲染目标2进行竖直方向模糊，同时输出两张相同的纹理，一张是用于下次模糊的渲染目标1，一张用于混合的RTF，然后进行两次同样的操作就能够得到三张RTF图。

5.根据权利要求4所述的基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，其特征在于，所述步骤b2，具体包括：

对RTF不同的颜色通道分别进行不同系数的Alpha混合得到混合的图像；

将上述步骤b1，将得到第一张RTF和第二次模糊得到的RTF叠加得到混合后的RTF，此时将得到两张RTF,分别对每张RTF图中三个通道分别进行不同系数的Alpha混合；

通过利用不同系数的混合来模拟不同频率的光线有不同的穿透力，因为光线照射到物体表面，由物体的厚度和衰减系数来决定的；在设置混合时，提供一个浮点数的BlendFactor系数，分别代表RGB的系数；

分别把两张RTF中的R 通道、B通道、G通道颜色值与对应的混合系数BlendFactor相乘得到每个通道混合后的颜色值；

然后对每个通道的颜色值叠加得到一张最终的渲染目标，此时得到的人物的皮肤质感比较明显，相对于没有混合前更加的柔和。

6.根据权利要求5所述的基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，其特征在于，在步骤b2中，所述分别把两张RTF中的R 通道、B通道、G通道颜色值与对应的混合系数BlendFactor相乘得到每个通道混合后的颜色值的具体算法如下：

为了区分两张RTF图，分别设为RTF-1,RTG-2；

Rblendcolor=RTF-1的颜色值*R系数+RTG-2的颜色值*（1-R系数）；

Gblendcolor=RTF-1的颜色值*G系数+RTG-2的颜色值*（1-G系数）；

Bblendcolor=RTF-1的颜色值*B系数+RTG-2的颜色值*（1-B系数）；

其中Rblendcolor为R通道混合的颜色值、Gblendcolor为G通道混合的颜色值、Bblendcolor为B通道混合的颜色值，R系数、G系数、B系数分别对应每个通道在每次混合的系数设定表中的参数：

。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，其特征在于，所述步骤c，具体包括：

基于步骤b1和b2已经达到比较完美的具有质感的皮肤效果，次表面散射在皮肤薄的部分更加明显；

为了模拟更加真实，采用了基于屏幕空间的次表面透明散射，对场景的皮肤对象再次渲染，得到一张具有皮肤较薄的部分半透效果的皮肤轮廓图，该图中会对皮肤薄的耳朵周围部分进行红色半透化显示，而不需要透明的黑色显示。

8.根据权利要求7所述的基于屏幕空间的次表面散射模拟人物真实皮肤的方法，其特征在于，所述步骤d，具体包括：

将步骤c中的半透显示皮肤图与步骤b得到混合的渲染目标进行混合后得到最终的渲染效果，效果更逼真，接近于真实。