CN104268922B - 一种图像渲染方法及图像渲染装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种图像渲染方法，包括以下步骤：获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图；获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标和深度值、世界空间的坐标，以及在世界空间的法线向量；根据所述颜色贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点的颜色信息；进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色；进行像素输出，获得渲染后的图像。本发明还涉及一种用于实现上述方法的图像渲染装置。相比于现有技术，本发明通过结合二维的渲染速度和三维的渲染效果，实现物体外观采用2D面片显示，场景采用3D遮挡和光照效果，从而可以实现二维的渲染速度和三维的渲染效果。

Description

一种图像渲染方法及图像渲染装置

技术领域

本发明涉及一种图像渲染方法，特别是一种2.5D的图像渲染方法。

背景技术

二维栅格渲染指直接将栅格图片渲染到图片或屏幕上的方式。遮挡关系比较简单，颜色二维栅格渲染能实现的效果本方法是都可以实现的，并且可以有更好的效果，比如：复杂遮挡关系、实时光影效果，这些效果往往只有三维渲染引擎才能达到。

相比于三维渲染，二维渲染在游戏中的显示效果存在一定缺陷，例如：在斜45度视角的二维渲染游戏中，A和B为该游戏场景下的两个具有相互遮挡关系物体，只能够表现出A在B前或B在A前的简单的遮挡效果，难以表现出相互遮挡复杂的场景。

针对上述问题，现有技术中有两种解决方案：第一种是继续采用二维渲染，并通过将物体分成多个部分，每个部分分别作遮挡计算。第二种则改为三维渲染。

然而，如果使用第一种方案，继续使用纯二维渲染，则在遮挡和光照效果上仍差于三维渲染效果。但若使用第二种方案，改为三维渲染，则无法达到与二维渲染一样的渲染速度。

发明内容

本发明在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种的图像渲染方法。

本发明是通过以下的技术方案实现的：一种的图像渲染方法，包括以下步骤：

获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图；

获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标

获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标；

获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的法线向量；

根据所述颜色贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点的颜色信息；

根据所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标、在世界空间的法线向量和颜色信息，进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色；

根据所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标和像素颜色，输出像素，获得渲染后的图像。

相比于现有技术，本发明通过结合二维的渲染速度和三维的渲染效果，实现物体外观采用2D面片显示，场景采用3D遮挡和光照效果，从而可以实现二维的渲染速度和三维的渲染效果。

作为本发明的进一步改进，在所述获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标、在世界空间的坐标，以及在世界空间的法线向量，包括：

获得需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵和贴图空间到投影空间的转换矩阵；

根据所述深度贴图和所述贴图空间到投影空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标；

根据所述深度贴图和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标；

根据所述法线贴图和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的法线向量。

作为本发明的进一步改进，所述获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图包括：

建立从模型空间到贴图空间的变换矩阵；

根据所述变换矩阵和所述需要渲染的图像的3D模型，获得需要渲染的图像的所述深度贴图、法线贴图和颜色贴图。

作为本发明的进一步改进，所述建立从模型空间到贴图空间的变换矩阵包括：

确定贴图空间中的三个基向量，其在模型空间的坐标为

确定模型空间中的长方体，所述长方体包围所述需要渲染图像的3D模型，所述长方体的顶点在贴图空间的坐标分别为(0,0,0)，(0,0,1)，(0,1,0)，(0,1,1)，(1,0,0)，(1,0,1)，(1,1,0)，(1,1,1)，所述长方体在模型空间的边长分别为l_x，l_y，l_z，所述贴图空间原点在模型空间的坐标为

建立矩阵M_t为

对所述矩阵M_t求逆，得到从模型空间到贴图空间的变换矩阵。

作为本发明的进一步改进，所述需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵为M_t·M_w,其中I为3*3的单位矩阵，为模型空间原点在世界空间的坐标，s_w为放大比，且s_w>0。

作为本发明的进一步改进，所述需要渲染的图像的贴图空间到投影空间的转换矩阵为M_t·M_w·M_v·M_p，其中 为模型空间原点在相机空间对应的坐标，

为相机空间原点在投影空间的坐标，s_x>0,s_y>0,s_z>0。

作为本发明的进一步改进，所述其中，m_iw是需要渲染的图像的像素宽，m_ih是需要渲染的图像的像素高，m_sw和m_sh分别为预设的渲染后的图像的像素宽和像素高。

本发明还提供了另外一种图像渲染方法，其特征在于包括：

获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图；

获得需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵和贴图空间到投影空间的转换矩阵；在贴图空间x、y轴构成的平面上构造单位网格，确定其顶点坐标和纹理坐标；

获得所述每个顶点在投影空间中的坐标

获得贴图空间中与所述每个顶点x、y坐标相同而z坐标为1的点在投影空间中的坐标

获得所述每个顶点在世界空间的坐标

获得贴图空间中与所述每个顶点x、y坐标相同而z坐标为1的点在世界空间中的坐标

根据该点所在的单位网格的纹理坐标对所述深度贴图采样，获得该点在贴图空间的z坐标，将所述z坐标与进行差值计算，获得该点在投影空间的坐标；

根据该点所在的单位网格的纹理坐标对所述深度贴图采样，获得该点在贴图空间的z坐标，将所述z坐标与进行差值计算，根据所述差值计算结果和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得该点在世界空间的坐标；

根据该点所在的单位网格的纹理坐标对所述法线贴图采样，获得该点在贴图空间的法线向量，再根据所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得该点在世界空间的法线向量；

根据该点所在的单位网格的纹理坐标对颜色贴图进行采样，得出该点的颜色信息；

根据所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标、在世界空间的法线向量和颜色信息，进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色；

根据所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标和像素颜色，输出像素，获得渲染后的图像。

本发明还提供了一种图像渲染装置，其特征在于包括：

图像获取模块，用于获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图；

坐标获取模块，用于获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标，以及用于获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标；

向量获取模块，用于获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的法线向量；

颜色信息读取模块，用于根据所述颜色贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点的颜色信息；

像素获取模块，用于根据所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标、在世界空间的法线向量和颜色信息，进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色；

像素输出模块，用于根据所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标和像素颜色，输出像素，获得渲染后的图像。

相比于现有技术，本发明通过结合二维的渲染速度和三维的渲染效果，实现物体外观采用2D面片显示，场景采用3D遮挡和光照效果，从而可以实现二维的渲染速度和三维的渲染效果。进一步，而一般3D渲染在CPU中执行实现速度慢，而该渲染方法可以由CPU执行或显卡执行，且可以在CPU中快速执行。

作为本发明的进一步改进，还包括一矩阵生成模块；

所述矩阵生成模块用于获得需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵和贴图空间到投影空间的转换矩阵；

所述坐标获取模块根据所述深度贴图和所述贴图空间到投影空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标；根据所述深度贴图和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标；

所述向量获取模块根据所述法线贴图和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的法线向量。

本发明还提供了一种图像渲染装置，其特征在于包括：

图像获取模块，用于获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图；

矩阵生成模块，用于获得需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵和贴图空间到投影空间的转换矩阵；

网格构造模块，用于在贴图空间x、y轴构成的平面上构造单位网格，并确定该单位网格的顶点坐标和纹理坐标；

坐标获取模块，用于获取所述每个顶点在投影空间中的坐标获取贴图空间中与所述每个顶点x、y坐标相同而z坐标为1的点在投影空间中的坐标获取所述每个顶点在世界空间的坐标获取贴图空间中与所述每个顶点x、y坐标相同而z坐标为1的点在世界空间中的坐标

投影空间坐标计算模块，用于根据该点所在的单位网格的纹理坐标对所述深度贴图采样，获得该点在贴图空间的z坐标，将所述z坐标与进行差值计算，获得该点在投影空间的坐标；

世界空间坐标计算模块，用于根据该点所在的单位网格的纹理坐标对所述深度贴图采样，获得该点在贴图空间的z坐标，将所述z坐标与进行差值计算，根据所述差值计算结果和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得该点在世界空间的坐标；

法线向量计算模块，用于根据该点所在的单位网格的纹理坐标对所述法线贴图采样，获得该点在贴图空间的法线向量，再根据所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得该点在世界空间的法线向量；

颜色信息读取模块，用于根据该点所在的单位网格的纹理坐标对颜色贴图进行采样，得出该点的颜色信息；

像素获取模块，用于根据所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标、在世界空间的法线向量和颜色信息，进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色；

像素输出模块，用于根据所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标和像素颜色，输出像素，获得渲染后的图像。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明的图像渲染方法的实施例1的流程图。

图2是本发明的实施例1的图像渲染装置模块连接示意图。

图3是本发明的图像渲染方法的实施例2的流程图。

图4是像素点与顶点的示意图。

图5是本发明的实施例2的图像渲染装置模块连接示意图。

具体实施方式

实施例1

请参阅图1，其为本发明的2.5D渲染方法的实施例1流程图。本发明的2.5D的图像渲染方法，包括以下步骤：

S1：建立一从贴图空间到模型空间的变换矩阵M_t,以及其逆矩阵M_t ^-1；

S2：将3D模型经该变换矩阵M_t ^-1从模型空间变换到贴图空间，分别生成深度贴图、法线贴图和颜色贴图；

S3：计算出深度贴图中每个点在投影空间中对应的坐标和在世界空间中对应的坐标，计算出法线贴图中每个点在世界空间的法线向量，读取颜色贴图的颜色信息；

S4：根据深度贴图的在投影空间的坐标获得深度值；结合深度贴图中的点在世界空间中对应的坐标，法线贴图在世界空间中的法线向量，以及颜色贴图的颜色信息，经光照计算后，得出像素颜色；

S5：结合深度值和像素颜色，通过CPU进行像素输出。

其中，在进行上述步骤时，所有渲染的物体必须保证像素对齐。

在所述步骤S1中，建立变换矩阵M_t时，先在贴图空间中定出三个基向量，使得贴图空间中的(0,0,0)，(0,0,1)，(0,1,0)，(0,1,1)，(1,0,0)，(1,0,1)，(1,1,0)，(1,1,1)这8个顶点组成的单位立方体包围盒刚好能包围3D模型，并且3个基向量的方向分别为 则该变换矩阵M_t为其中l_x，l_y，l_z是包围盒的尺寸，则这三个基向量为

在步骤S3中，可以通过CPU遍历贴图空间中的所有点，再根据贴图空间到投影空间和世界空间的转换关系，相应计算出深度贴图的每个像素点在投影空间中的位置，得出该像素点的深度值；同时，计算出世界空间的法线贴图的法线方向。

具体的，所述贴图空间坐标变换到投影空间的变换公式为：

所述贴图空间的每个点坐标变化到世界空间的变化公式为其中，

为投影空间中的齐次坐标，

T_tp表示为贴图空间到投影空间的变换函数，

世界空间的齐次坐标，

T_tw表示为世界空间到贴图空间到世界空间的变化函数，

为贴图空间的顶点的齐次坐标，

M_t为贴图空间到模型空间的变换矩阵，

M_w为模型空间到世界空间的变换矩阵，

M_v为世界空间到相机空间的变换矩阵，

M_p为相机空间到投影空间的变换矩阵。

进一步，将贴图空间变换到投影空间的变换矩阵定义为M_tp，M_tp＝M_t·M_w·M_v·M_p；其中，

则其中

I为3*3的单位矩阵，为平移向量，S_w为放大比，且S_w>0；

为平移向量，R_v为旋转分量，且

其中S_p为对角矩阵，s_x>0，s_y>0，s_z>0；

则其中S_c为R_t和R_v旋转得到的分量，

具体的，为了将在屏幕显示的图像与贴图的像素对齐，即渲染画面中渲染出的贴图的像素宽和像素高与贴图数据的像素高和像素宽一致。故需所述贴图数据的像素宽和像素高、以及变换矩阵M_p进行限定。

首先，预设一个像素比r，假设贴图像素宽为m_iw，像素高为m_ih；则贴图像素宽m_iw＝l_x·r，像素高m_ih＝l_y·r；假设渲染画面的像素宽为m_sw，像素高位m_sh；根据渲染画面是投影空间x轴[-1，1]和y轴[-1,1]的范围之内的条件，以及公式：

可以得出渲染画面中的贴图像素高m'_iw，和像素高m'_ih的值。其中，m'_iw＝l_x·s_x·2m_sw，m'_ih＝l_x·s_y·2m_sh。为了保证贴图空间的贴图像素与渲染画面中贴图的像素是一致的，即m'_iw＝m_iw，m'_ih＝m_ih，则可推算得所述变化矩阵M_p中的

以下进一步对本实施例的贴图空间、模型空间、世界空间、相机空间和投影空间进行详细的说明：

贴图空间：这是2.5D渲染特别定义的一个空间。用于表示图片中某个点的坐标。由于存在深度贴图，图片中的点位置是有3个维度的。图片的左上角最低点坐标为(0,0,0)，最高点的坐标为(0,0,1)。图片的右上角最低点坐标为(1,0,0)，最高点的坐标为(1,0,1)。图片的左下角最低点坐标为(0,1,0)，最高点的坐标为(0,1,1)。图片的右下角最低点坐标为(1,1,0)，最高点的坐标为(1,1,1)。

模型空间：模型数据中的所的顶点，都会以模型空间坐标进行记录。通常模型会放置到模型空间的原点附近。在2.5D渲染中，并没有直接的模型空间数据，模型空间数据是使用Mt从贴图空间中变换而来的。每个模型对应一个各自的M_t，数据固定，不会发生变化。

世界空间：世界空间通常用于计算各个物体的放置的位置。多个物体可以共用一个模型数据，只要M_w不同，就能将模型放置到不同位置。物体在发生运动时，它们的M_w会发生改变。不同物体的Mw通常是不同的，不同的帧也可能发生变化。

相机空间：将世界空间中所有的物体统一使用Mv进行变换，可以产生视角变换的效果。转换结果所在空间就是相机空间。通常一个3D渲染画面会有一个相机，它对应一个M_v。对于一个相机，M_v在一帧渲染中是不变的，不同的帧可能发生变化。

投影空间：显卡在渲染图形的时候，输入的坐标范围为：x在(-1,1)范围、y在(-1,1)范围、z在(0,1)范围，超出的部分将处于画面之外，是无法也不需要渲染的。用M_p可以将相机空间中需要渲染的部分转换到可以渲染的范围。转换结果所在空间就是投影空间。在使用透视投影时，M_p还需要产生近大远小的变换效果。

为了实现上述的图像渲染方法，本发明还提供了一种用于实现上述图像渲染方法的图像渲染装置。请参阅图2，实施例1的图像渲染装置模块连接示意图。

本发明的一种图像渲染装置，包括：图像获取模块11、矩阵生成模块12、坐标获取模块13、向量获取模块14、颜色信息读取模块15、像素获取模块16，以及像素输出模块17。

其中，所述图像获取模块11，用于获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图。

所述矩阵生成模块12，用于获得需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵和贴图空间到投影空间的转换矩阵。

所述坐标获取模块13，根据由矩阵生成模块12所获得的所述深度贴图和所述贴图空间到投影空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标和深度值；同时，根据所述深度贴图和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标。

所述向量获取模块14，根据由矩阵生成模块12所获得的所述法线贴图和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的法线向量。

所述颜色信息读取模块15，根据图像获取模块11所获得的所述颜色贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点的颜色信息。

所述像素获取模块16，根据所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标、在世界空间的法线向量和颜色信息，进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色。

所述像素输出模块17，根据所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标、深度值和像素颜色，输出像素，获得渲染后的图像。

实施例2

请参阅图3，其为是本发明的2.5D渲染方法的实施例2的流程图。本发明的2.5D的图像渲染方法，包括以下步骤：

S1：建立一从贴图空间到模型空间的变换矩阵M_t以及其逆矩阵M_t ^-1；

S2：将3D模型经该变换矩阵M_t ^-1从模型空间变换到贴图空间，分别生成深度贴图、法线贴图和颜色贴图；

S3：计算出深度贴图中每个点在投影空间中对应的坐标和在世界空间中对应的坐标，计算出法线贴图中每个点在世界空间的法线向量，读取颜色贴图的颜色信息；

S4：根据深度贴图的在投影空间的坐标获得深度值；结合深度贴图中的点在世界空间中对应的坐标，法线贴图在世界空间中的法线向量，以及颜色贴图的颜色信息，经光照计算后，得出像素颜色；

S5：结合深度值和像素颜色，通过显卡进行像素输出。

进一步，在执行步骤三时，包括以下步骤：

S31：在贴图空间x、y轴构成平面上，构造一个单位网格，确定顶点坐标和纹理坐标；

S32：分别计算出每个顶点在投影空间中的坐标在贴图空间中与其x、y值相同而在投影空间中z值为1的坐标每个顶点在世界空间的坐标以及在贴图空间中与其x、y值相同而在世界空间中z值为1的坐标

S33：先通过纹理坐标对所需渲染的像素点所在的深度贴图进行采样，获取该像素点在贴图空间中的z坐标值，将该像素点的z坐标值与投影空间顶点坐标和进行差值计算，得出该像素点在投影空间中的坐标信息，从而获得该像素点的深度值；

S34：将该像素点的z坐标值与世界空间顶点坐标和进行差值计算，得出该像素点在世界空间中的坐标信息；

S35：根据当前纹理坐标对法线贴图采样，得到当前像素点在贴图空间的法线方向，并计算出当前像素点在世界空间中的法线方向；

S36：用当前纹理坐标对颜色贴图进行采样，得出当前像素点的颜色信息。

具体的，在所述步骤一中，建立变换矩阵M_t时，先在贴图空间中定出三个基向量，使得贴图空间中的(0,0,0)，(0,0,1)，(0,1,0)，(0,1,1)，(1,0,0)，(1,0,1)，(1,1,0)，(1,1,1)这8个顶点组成的单位立方体包围盒刚好能包围3D模型，并且3个基向量分别为 则该变换矩阵M_t为其中l_x，l_y，l_z是包围盒的尺寸。

进一步在步骤S31中，所述x、y平面单位面片网格的顶点坐标为(0,0,0)，(0,1,0)，(1,0,0)，(1,1,0)，纹理坐标为(0,0)，(0,1)，(1,0)，(1,1)。

所述贴图空间坐标变换到投影空间的变换公式为

所述贴图空间的每个点坐标变化到世界空间的变化公式为其中，

为投影空间中的齐次坐标，

T_tp表示为贴图空间到投影空间的变换函数，

世界空间的齐次坐标，

T_tw表示为世界空间到贴图空间到世界空间的变化函数，

为贴图空间的顶点的齐次坐标，

M_t为贴图空间到模型空间的变换矩阵，

M_w为模型空间到世界空间的变换矩阵，

M_v为世界空间到相机空间的变换矩阵，

M_p为相机空间到投影空间的变换矩阵。

进一步，将贴图空间变换到投影空间的变换矩阵定义为M_tp，M_tp＝M_t·M_w·M_v·M_p；其中，

则其中

I为3*3的单位矩阵，为平移向量，S_w为放大比，且S_w>0；

为平移向量，R_v为旋转分量，且

其中S_p为对角矩阵，s_x>0，s_y>0，s_z>0；

则其中S_c为R_t和R_v旋转得到的分量，

具体的，为了将在屏幕显示的图像与贴图的像素对齐，即渲染画面中渲染出的贴图的像素宽和像素高与贴图数据的像素高和像素宽一致。故需所述贴图数据的像素宽和像素高、以及变换矩阵M_p进行限定。

首先，预设一个像素比r，假设贴图像素宽为m_iw，像素高为m_ih；则贴图像素宽m_iw＝l_x·r，像素高m_ih＝l_y·r；假设渲染画面的像素宽为m_sw，像素高位m_sh；根据渲染画面是投影空间x轴[-1，1]和y轴[-1,1]的范围之内的条件，以及公式：

可以得出渲染画面中的贴图像素高m'_iw，和像素高m'_ih的值。其中，m'_iw＝l_x·s_x·2m_sw，m'_ih＝l_x·s_y·2m_sh。为了保证贴图空间的贴图像素与渲染画面中贴图的像素是一致的，即m'_iw＝m_iw，m'_ih＝m_ih，则可推算得所述变化矩阵M_p中的

具体的，以下介绍本发明的显卡的渲染流程：

构造一个单位网格，它有4个顶点，在贴图空间中的齐次坐标为：(0,0,0,1),(1,0,0,1),(0,1,0,1),(1,1,0,1)，

假设：

其中的任意一个顶点在贴图空间中的齐次坐标为

四维向量取前两维向量的矩阵为

深度空间中与当前顶点x,y坐标相同而z坐标为1的点的齐次坐标为

对这4个顶点，每个顶点构造出顶点数据(共5项)：

纹理坐标：

世界空间中的坐标：

投影空间中的坐标：

在深度空间中与当前顶点x,y坐标相同而z坐标为1的点，在世界空间中的坐标：

在深度空间中与当前顶点x,y坐标相同而z坐标为1的点，在投影空间中的坐标：

对这个网格进行栅格化并对顶点进行差值计算出每个像素的数据，其中，

纹理坐标：世界空间中的坐标：投影空间中的坐标：

在深度空间中与当前顶点x,y坐标相同而z坐标为1的点，在世界空间中的坐标：在深度空间中与当前顶点x,y坐标相同而z坐标为1的点，在投影空间中的坐标：计算出每个像素的在世界空间和投影空间中的坐标：

1、用在深度贴图中采样，通过显卡内置功能实现，可以得到该点在贴图空间的z坐标。

2、将所述z坐标与和进行差值计算可以得到该点的世界空间坐标。

3、将所述z坐标与和进行差值计算可以得到该点的投影空间坐标。

计算出像素的在世界空间中的法向量：

1、用在法线贴图中采样，通过显卡内置功能实现，可以得到该点在贴图空间中的法向量。

2、使用从贴图空间到世界空间的转换矩阵计算出该法向量在世界空间中的坐标。

计算出每个像素颜色：

1、用在颜色贴图中采样(显卡内置功能实现)得到该点的颜色参数。

2、根据像素在世界空间的坐标、在世界空间的法向量，以及前一步得到的颜色参数进行光照计算，得到该像素的颜色。

计算出每个像素的深度：直接采用像素在投影空间中坐标的z坐标分量。

根据每个像素的像素信息包含它的颜色和深度值，进行深度探测以及屏幕显示，可以通过显卡内置功能实现。

以下通过一实例，介绍如何在顶点着色器中进行像素计算。请参阅图4，其为像素点与顶点的示意图。坐标轴x_t、y_t和z_t表示贴图空间的基向量，坐标轴x’_t、y’_t和z’_t表示投影空间的基向量，正方体表示在贴图空间中各个坐标轴的(0,1)的范围内的单位立方体。

这个单位立方体中x,y坐标相同的顶点对应着顶点着色器输出的一个顶点。虽然对于显卡来说是一个顶点，但这一个顶点里包含了贴图空间中z坐标为0和1两个顶点的信息，所以在运算逻辑上它是两个顶点。

用像素着色器渲染这个面片，则对于每个像素，都包含单位面片网格4个顶点差值、以及纹理坐标信息。

对于像素P，它可能的范围在A点与B点连成的线段中。其中，A点代表坐标和的坐标信息。B点代表坐标和坐标的信息。P点的纹理坐标，刚好是这个像素在贴图空间中的x,y坐标。用这个纹理坐标对深度贴图采样，就能获取P点在贴图空间中的z坐标。用z坐标对于A,B两点进行差值，就能得到P点的在投影空间以及世界空间中的坐标信息。

z坐标对A,B两点的差值方式如下，比如，z坐标是0，则差值结果就是坐标A；z坐标是1，则差值结果就是坐标B；z坐标是0.5就是在A和B的中间。而A和B的投影空间坐标、世界空间坐标、纹理坐标是通过面片4个顶点差值计算而来的。

相比于现有技术，本发明通过结合二维的渲染速度和三维的渲染效果，实现物体外观采用2D面片显示，场景采用3D遮挡和光照效果，从而可以实现二维的渲染速度和三维的渲染效果。

为了实现上述的图像渲染方法，本发明还提供了一种用于实现上述图像渲染方法的图像渲染装置。请参阅图5，一种图像渲染装置，包括：图像获取模块201、矩阵生成模块202、网格构造模块203、坐标获取模块201、投影空间坐标及深度值计算模块205、世界空间坐标计算模块206、法线向量计算模块207、颜色信息获取模块208、像素获取模块209和像素输出模块210。

其中，所述图像获取模块201，用于获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图。

所述矩阵生成模块202，用于获得需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵和贴图空间到投影空间的转换矩阵。

所述网格构造模块203，用于在贴图空间x、y轴构成的平面上构造单位网格，并确定该单位网格的顶点坐标和纹理坐标。

所述坐标获取模块204，用于获取所述每个顶点在投影空间中的坐标获取贴图空间中与所述每个顶点x、y坐标相同而z坐标为1的点在投影空间中的坐标获取所述每个顶点在世界空间的坐标获取贴图空间中与所述每个顶点x、y坐标相同而z坐标为1的点在世界空间中的坐标

所述投影空间坐标及深度值计算模块205，用于根据该点所在的单位网格的纹理坐标对所述深度贴图采样，获得该点在贴图空间的z坐标，将所述z坐标与进行差值计算，根据所述差值计算结果和所述贴图空间到投影空间的转换矩阵，获得该点在投影空间的坐标和深度值。

所述世界空间坐标计算模块206，用于根据该点所在的单位网格的纹理坐标对所述深度贴图采样，获得该点在贴图空间的z坐标，将所述z坐标与进行差值计算，根据所述差值计算结果和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得该点在世界空间的坐标。

所述法线向量计算模块207，用于根据该点所在的单位网格的纹理坐标对所述法线贴图采样，获得该点在贴图空间的法线向量，再根据所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得该点在世界空间的法线向量。

所述颜色信息读取模块208，用于根据该点所在的单位网格的纹理坐标对颜色贴图进行采样，得出该点的颜色信息。

所述像素获取模块209，用于根据所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标、在世界空间的法线向量和颜色信息，进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色；

所述像素输出模块210，用于根据所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标、深度值和像素颜色，输出像素，获得渲染后的图像。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (11)

1.一种图像渲染方法，其特征在于包括以下步骤：

将需要渲染的图像的3D模型从模型空间变换到贴图空间，获得所述需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图；

根据所述深度贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标；

根据所述深度贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标；

根据所述法线贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的法线向量；

根据所述颜色贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点的颜色信息；

根据所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标、在世界空间的法线向量和颜色信息，进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色；

根据所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标和像素颜色，输出像素，获得渲染后的图像。

2.根据权利要求1所述图像渲染方法，其特征在于：在所述获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标、在世界空间的坐标，以及在世界空间的法线向量，包括：

获得需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵和贴图空间到投影空间的转换矩阵；

根据所述深度贴图和所述贴图空间到投影空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标；

根据所述深度贴图和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标；

根据所述法线贴图和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的法线向量。

3.根据权利要求1所述的图像渲染方法，其特征在于：

所述获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图包括：

建立从模型空间到贴图空间的变换矩阵；

根据所述变换矩阵和所述需要渲染的图像的3D模型，获得需要渲染的图像的所述深度贴图、法线贴图和颜色贴图。

4.根据权利要求3所述的图像渲染方法，其特征在于：

所述建立从模型空间到贴图空间的变换矩阵包括：

确定贴图空间中的三个基向量，其在模型空间的坐标为

确定模型空间中的长方体，所述长方体包围所述需要渲染图像的3D模型，所述长方体的顶点在贴图空间的坐标分别为(0,0,0)，(0,0,1)，(0,1,0)，(0,1,1)，(1,0,0)，(1,0,1)，(1,1,0)，(1,1,1)，所述长方体在模型空间的边长分别为l_x，l_y，l_z，所述贴图空间原点在模型空间的坐标为

建立矩阵M_t为

对所述矩阵M_t求逆，得到从模型空间到贴图空间的变换矩阵。

5.根据权利要求4所述的图像渲染方法，其特征在于：所述需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵为M_t·M_w,其中I为3*3的单位矩阵，为模型空间原点在世界空间的坐标，s_w为放大比，且s_w>0。

6.根据权利要求5所述的图像渲染方法，其特征在于：所述需要渲染的图像的贴图空间到投影空间的转换矩阵为M_t·M_w·M_v·M_p，其中 为模型空间原点在相机空间对应的坐标， 为相机空间原点在投影空间的坐标，s_x>0,s_y>0,s_z>0。

7.根据权利要求6所述的图像渲染方法，其特征在于：s_w＝1,其中，m_iw是需要渲染的图像的像素宽，m_ih是需要渲染的图像的像素高，m_sw和m_sh分别为预设的渲染后的图像的像素宽和像素高。

8.一种图像渲染方法，其特征在于包括：

获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图；

获得需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵和贴图空间到投影空间的转换矩阵；在贴图空间x、y轴构成的平面上构造单位网格，确定其顶点坐标和纹理坐标；

获得所述单位网格的每个顶点在投影空间中的坐标

获得贴图空间中与所述单位网格的每个顶点x、y坐标相同而z坐标为1的点在投影空间中的坐标

获得所述单位网格的每个顶点在世界空间的坐标

获得贴图空间中与所述单位网格的每个顶点x、y坐标相同而z坐标为1的点在世界空间中的坐标

根据该z坐标为1的点所在的单位网格的纹理坐标对所述深度贴图采样，获得该z坐标为1的点在贴图空间的z坐标，将所述z坐标与进行差值计算，获得该z坐标为1的点在投影空间的坐标和深度值；

根据该z坐标为1的点所在的单位网格的纹理坐标对所述深度贴图采样，获得该z坐标为1的点在贴图空间的z坐标，将所述z坐标与进行差值计算，根据所述差值计算结果和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得该z坐标为1的点在世界空间的坐标；

根据该z坐标为1的点所在的单位网格的纹理坐标对所述法线贴图采样，获得该z坐标为1的点在贴图空间的法线向量，再根据所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得该z坐标为1的点在世界空间的法线向量；

根据该z坐标为1的点所在的单位网格的纹理坐标对颜色贴图进行采样，得出该z坐标为1的点的颜色信息；

根据所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标、在世界空间的法线向量和颜色信息，进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色；

根据所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标、深度值和像素颜色，输出像素，获得渲染后的图像。

9.一种图像渲染装置，其特征在于包括：

图像获取模块，用于将需要渲染的图像的3D模型从模型空间变换到贴图空间，获得所述需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图；

坐标获取模块，用于根据所述深度贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标，以及用于根据所述深度贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标；

向量获取模块，用于根据所述法线贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的法线向量；

颜色信息读取模块，用于根据所述颜色贴图，获得所述需要渲染的图像中每个点的颜色信息；

像素获取模块，用于根据所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标、在世界空间的法线向量和颜色信息，进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色；

像素输出模块，用于根据所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标和像素颜色，输出像素，获得渲染后的图像。

10.根据权利要求9所述图像渲染装置，其特征在于：还包括一矩阵生成模块；

所述矩阵生成模块用于获得需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵和贴图空间到投影空间的转换矩阵；

所述坐标获取模块根据所述深度贴图和所述贴图空间到投影空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标和深度值；根据所述深度贴图和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标；

所述向量获取模块根据所述法线贴图和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的法线向量。

11.一种图像渲染装置，其特征在于包括：

图像获取模块，用于获得需要渲染的图像的深度贴图、法线贴图和颜色贴图；

矩阵生成模块，用于获得需要渲染的图像的贴图空间到世界空间的转换矩阵和贴图空间到投影空间的转换矩阵；

网格构造模块，用于在贴图空间x、y轴构成的平面上构造单位网格，并确定该单位网格的顶点坐标和纹理坐标；

坐标获取模块，用于获取所述单位网格的每个顶点在投影空间中的坐标获取贴图空间中与所述单位网格的每个顶点x、y坐标相同而z坐标为1的点在投影空间中的坐标获取所述单位网格的每个顶点在世界空间的坐标获取贴图空间中与所述单位网格的每个顶点x、y坐标相同而z坐标为1的点在世界空间中的坐标

投影空间坐标计算模块，用于根据该z坐标为1的点所在的单位网格的纹理坐标对所述深度贴图采样，获得该z坐标为1的点在贴图空间的z坐标，将所述z坐标与进行差值计算，获得该z坐标为1的点在投影空间的坐标；

世界空间坐标计算模块，用于根据该z坐标为1的点所在的单位网格的纹理坐标对所述深度贴图采样，获得该z坐标为1的点在贴图空间的z坐标，将所述z坐标与进行差值计算，根据所述差值计算结果和所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得该z坐标为1的点在世界空间的坐标；

法线向量计算模块，用于根据该z坐标为1的点所在的单位网格的纹理坐标对所述法线贴图采样，获得该z坐标为1的点在贴图空间的法线向量，再根据所述贴图空间到世界空间的转换矩阵，获得该z坐标为1的点在世界空间的法线向量；

颜色信息读取模块，用于根据该z坐标为1的点所在的单位网格的纹理坐标对颜色贴图进行采样，得出该z坐标为1的点的颜色信息；

像素获取模块，用于根据所述需要渲染的图像中每个点在世界空间的坐标、在世界空间的法线向量和颜色信息，进行光照计算，获得所述需要渲染的图像中每个点的像素颜色；像素输出模块，用于根据所述需要渲染的图像中每个点在投影空间的坐标和像素颜色，输出像素，获得渲染后的图像。