CN104392481B - 一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法及装置 - Google Patents

一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法及装置，该方法包括：获取模型上一像素点的所有反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素颜色的平均值作为模型该像素点的平均像素颜色值；根据所述模型上该像素点的平均像素颜色值和菲涅尔系数得到所述模型上该像素点的高光值。本发明采用贴图将周围环境渲染在模型上，通过调节光泽贴图的光泽度控制模型反射周围环境的清晰度，使得模型的视觉效果更加逼真。

Description

一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法及装置
技术领域
本发明涉及计算机图形学领域，尤其涉及一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法及装置。
背景技术
计算机图形学的一个主要目的是利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形，须建立图形所描述的场景的几何表示，再利用某种光照模型，计算在假想的光影、纹理、材质属性下的照明效果。因此光学研究引发了广泛关注，曲面的高光反射是一种光学现象，当光照射到一个到光滑的平面上时，会发生镜面反射，当光照射到一个不平滑的平面上时，会发生漫反射，二者都遵守光的反射定律。当光照射到不同材质上看到效果不一样，例如：钻石的光芒、黑板的反光，水面的波光等。这是因为光照射到光滑的物体表面上发生了镜面发射，反射光线全部进入了眼睛，因此看到物体比较亮，而看到物体比较暗时，是因为光在物体表面上发生了漫反射，只有部分光线进入了眼睛；物体的表面材质决定了反射光的强弱，表面光滑且亮的材质反射较多的入射光，而表面不平且暗淡的材质则吸收较多的入射光。
目前，电脑制作的动画画面(CG画面)通常利用各种常见的光照模型来计算光照效果，忽略了模型对周围环境的反射，不能对具有高光反射的曲面做细节的优化，使得画面逼真度不高，难以满足人们对照片级场景对象的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法及装置，在光照模型的基础上增加场景模型受周围环境颜色的影响，通过光泽贴图控制高光反射，从而使画面的视觉效果更加逼真。
一方面，一种利用光泽贴图控制高光反射清晰度的方法，包括：获取模型上一像素点的所有反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素颜色的平均值作为模型该像素点的平均像素颜色值；
根据所述模型上该像素点的平均像素颜色值和菲涅尔系数得到所述模型上该像素点的高光值。
另一方面，一种利用光泽贴图控制高光反射清晰度的装置，包括：
平均像素颜色值获取模块，用于获取模型上一像素点的所有反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素的平均值作为模型该像素点的平均像素颜色值；
高光值获取模块，用于根据模型上该像素点的平均像素颜色值和菲涅尔系数得到所述模型该像素点的高光值。
本发明提供的一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法及装置，获取模型上一像素点的所有反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素颜色的平均值作为模型该像素点的平均像素颜色值；根据所述模型上该像素点的平均像素颜色值和菲涅尔系数得到所述模型上该像素点的高光值。在自然界，物体不仅仅只是反射自然光，还需要反射周围环境的光线，因此本发明采用贴图实现模型对周围环境光线的反射，把周围环境渲染在模型上，使得模型的视觉效果更加接近于现实世界。本发明通过改变光泽贴图的光泽度值的大小来改变模型表面反射周围环境光线的清晰度的高低。通过光泽贴图的gloss值来计算模型表面反射周围环境的高光值，使得程序计算简单，易于实现，且gloss值方便控制，易于维护，将周围环境渲染在模型上，且合理的渲染模型反射周围环境的清晰度，使模型的视觉效果更加真实。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例一提供的一种光泽贴图控制高光反射清晰度的方法流程图；
图2a是本发明实施例二提供的一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法流程图；
图2b是本发明实施例二提供的另一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法流程图；
图3是本发明实施例三提供的一种利用贴图控制高光反射清晰度的装置结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
图1是本发明具体实施例一提供的一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法流程图。本发明实施例的方法可以由配置以硬件和/或软件实现的程序中来执行，如图1所示，该方法包括步骤110～步骤120。
步骤110、获取模型上一像素点的所有反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素颜色的平均值作为模型该像素点的平均像素颜色值；
环境映射是一种用来模拟光滑表面对周围环境的反射的技术，常见的如镜子、光亮漆面的金属等。这种技术的实现主要通过将一张带有周围环境的贴图附在所需要表现的多边形表面来实现的。目前在实时3D游戏画面渲染中经常使用的有两种环境映射。一种是球形环境映射，另一种为立方体环境映射。
在游戏场景中经常通过在一个立方体上的六个面贴上前后左右上下六个贴图来模拟天空、宇宙等环境，称为立方体贴图(Cubemap)，立方环境映射的原理就是在游戏中所需要产生映射的模型的位置动态生成一套立方体贴图，再对立方体贴图进行采样得到模型表面反射出的周围环境。
具体的采样方法是通过模型表面的法线计算，假设动态生成的Cubemap的立方体刚刚好包围住需要产生环境映射效果的模型，可以从观察点(如相机、摄像机)到模型表面的入射光线向量得到反射光线向量，计算反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素颜色的平均值，并把该平均值作为对应到模型表面上该像素点的平均像素颜色值。所述反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素颜色值指基于该交点所在的层次等级和UV坐标计算的。
步骤120、根据所述模型上该像素点的平均像素颜色值和菲涅尔系数得到所述模型上该像素点的高光值；
所述根据所述模型上该像素点的平均像素颜色值和菲涅尔系数得到所述模型上该像素点的高光值具体为：
Sfinal＝Sp*λ
其中λ为菲涅尔系数，Sfinal为模型上该像素点的高光值。
需要说明的是，高光贴图的高光因子影响菲涅尔系数。所述的高光因子通过采样高光贴图得到，在世界坐标系中，以视角到模型上某一像素点的方向和该像素点的法线方向的夹角计算，当视角方向和法线方向的夹角接近90°时，那么高光因子接近1，当视角方向和法线方向的夹角接近0°时，那么就接近高光因子。
实施例二
本发明实施例二提供一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法流程图，本实施例是在上述实施的基础上，提供一种获取模型上一像素点的所有反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素颜色的平均值作为模型该像素点的平均像素颜色值的优选方法(如图2a所示)，该优选方法包括步骤210～步骤230：
步骤210、根据模型上该像素点的入射光线向量和该点的法线得到模型上该像素点的反射光线向量，获取所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点，通过UV坐标采样立方体贴图纹理，获得所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值；
在本步骤中，利用光的反射定律，通过模型上该像素点的入射光线向量和该点的法线得到模型上该像素点的反射光线向量。所述入射光线向量是观察点(如相机、摄像机、眼睛等)到模型表面的一像素点的方向向量。所述的反射光线向量是模型表面的像素点到立方体贴图上某点的方向向量。在程序中，通过调用入射光线向量与法线的映射(reflect(入射光线,法线))得到反射光线向量。反射光线向量与立方体的面有交点，通过UV坐标采样立方体贴图，获得所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值；所述UV坐标可以确定模型和立方体贴图之间的连接关系，它确定立方体贴图上的每一个像素点对应在模型上具体位置。
本发明采用立方体贴图实现环境映射，使得CG画面更加真实，当观察点移动时，模型反射的周围环境也随之变化。
步骤220、根据所述光泽贴图的光泽度得到所需要采样的立方体贴图层次等级；
在程序中，定义一个gloss值来整体控制模型反射周围环境颜色的清晰度，gloss值是可调节的，其范围为[0,1]，这个gloss值越大，模型反射周围环境的高光的清晰度越高，gloss值越小，模型反射周围环境的高光的清晰度越低。
本步骤中，根据所述光泽贴图的光泽度得到所需要采样的立方体贴图层次等级包括：
a、设定一个与光泽度gloss有关的因子specExp，其中，specExp＝-10.0/log2(gloss*0.968+0.03)；
b、对specExp求平方：specExp*＝specExp；
c、计算概率密度函数：
PDF(u,r):＝(specExp+4)/(8*pi)*pow(dot(u,r),specExp)，其中，u为采样方向，r为反射向量；
d、根据概率密度函数计算采样的周围环境贴图的纹理映射等级贴图：
lod＝(0.5*log2((256.0*256.0)/float(SPECULAR_IMPORTANCE_SAMPLES))+0.5)-0.5*log2(PDF(u，r)),其中float将重采样次数转换为浮点型数据类，SPECULAR_IMPORTANCE_SAMPLES为重采样次数。
其中，lod为整数，当gloss值较大时，得到的lod值较大，则模型反射周围环境的清晰度较高，当gloss值较小时，得到的lod值较小，则模型反射周围环境的清晰度较低。需要说明的是，gloss值的大小是相对而言的，定义gloss值时，需要考虑到周围环境的光线对gloss值的影响，当周围环境的光线偏暗时，模型反射周围环境的清晰度较低。当周围环境的光线的光线偏亮时，模型反射周围环境的清晰度较高。
在现实的游戏中，观察点是不断变化的，根据游戏画面距离观察点的远近，利用图形图像技术(mipmap)处理周围环境纹理贴图的视觉化表现，这些纹理贴图被预计算和优化成一系列的图片组成的文件，且贴图中每一个层级的小图都是有主图按照一个特定比例缩小而成的复制品。mipmap是由许多不同分辨率的纹理贴图组成的金字塔结构，高分辨率的mipmap图像用于靠近观察点，低分辨率的mipmap图像用于远离观察点。在游戏应用过程中，光泽贴图和高光贴图通常用一个ALPHA通道存储，这样可以节省资源的数量和空间，同时也可以减少加载图片的时间；另外，也可以用单独颜色通道来完成光泽贴图。
通过改变光泽贴图的光泽度值的大小来改变模型表面反射周围环境光线的清晰度的高低。通过光泽贴图的gloss值来计算模型表面反射周围环境的高光值，使得程序计算简单，易于实现，且gloss值方便控制，易于维护，将周围环境渲染在模型上，且合理的渲染模型反射周围环境的清晰度，使模型的视觉效果更加真实。
需要说明的是，只有能够反射周围环境的模型才需要进行光泽贴图，不能够反射周围环境的模型不需要进行光泽贴图。
步骤230、根据所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值、所述立方体贴图的层次等级得到模型上该像素点的平均像素颜色值。
所述根据所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值、所述立方体贴图的层次等级得到模型上该像素点平均像素颜色值的方法包括步骤231～步骤235(如图2b所示)
步骤231、对模型上的该像素点的法线所在的半球面进行扰动，获取模型上该像素点的N条反射光线向量；
对模型上的该像素点的法线所在的半球面进行扰动，随机生成了N条法线，则同一条入射光线向量和经扰动得到的N条法线可对应N条反射光线向量，N具体的为32条。
步骤232、根据N条反射光线向量中的任意一条反射光线向量，得到所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值和所需要采样的立方体贴图的层次等级；
获取所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值和所需要采样的立方体贴图的层次等级参考步骤210和步骤220。
步骤233、利用texcube(cubemap,uv，lod)函数得到模型上该像素点的像素颜色值；
其中，cubemap为立方体贴图，uv为纹理坐标值，lod为立方体贴图的层次等级。在本步骤中，通过使用高阶着色器语言(High Level Shader Language，HLSL)内置的texcube函数依据反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值和所需要采样的立方体贴图的层次等级，获取对应到模型上该像素点的像素颜色值；
步骤234、对上述进行循环操作，直至获得模型上该像素点的第N像素颜色值；
步骤235、对所述模型上该像素点的N个像素颜色值求平均得到模型上该像素点平均像素颜色值。
所述对所述模型上该像素点的N个像素颜色值求平均得到模型上该像素点平均像素颜色值具体为：
SP为模型上该像素点的平均像素颜色值，N为采样周围环境的次数，P(i)为第N像素颜色值。
本步骤中通过多次获得反射光线向量与立方体贴图的交点的层次等级及反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值，计算出将周围环境映射到模型上的对应像素点的平均像素颜色值，使得对应到模型上该像素点的像素颜色值更加准确，也使得模型的视觉效果更加逼真。
实施例三
本发明实施例提供一种利用贴图控制高光反射清晰度的装置，该装置包括平均像素颜色值获取模块310和高光值获取模块320；
平均像素颜色值获取模块310，用于获取模型上一像素点的所有反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素的平均值作为模型该像素点的平均像素颜色值；
高光值获取模块320，用于根据模型上该像素点的平均像素颜色值和菲涅尔系数得到所述模型该像素点的高光值。
本发明采用贴图实现模型对周围环境光线的反射，把周围环境渲染在模型上，使得模型的视觉效果更加接近于现实世界。本发明通过改变光泽贴图的光泽度值的大小来改变模型表面反射周围环境光线的清晰度的高低。通过光泽贴图的gloss值来计算模型表面反射周围环境的高光值，使得程序计算简单，易于实现，且gloss值方便控制，易于维护，将周围环境渲染在模型上，且合理的渲染模型反射周围环境的清晰度，使模型的视觉效果更加真实。
在上述方案中，所述平均像素值获取模块310具体用于：根据模型上该像素点的入射光线向量和该像素点的法线得到模型上该像素点的反射光线向量，获取所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点，通过UV坐标采样立方体环境贴图纹理，获得反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值；根据所述光泽贴图的光泽度得到所需要采样的立方体贴图层次等级；根据所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值、所述立方体贴图的层次等级得到模型上该像素点的平均像素颜色值。
在上述方案中，所述高光值获取模块320具体用于利用如下公式计算所述模型该像素点的高光值：
Sfinal＝Sp*λ
其中λ为菲涅尔系数，Sfinal为模型上该像素点的高光值，SP为模型上该像素点的平均像素颜色值。
本发明实施例提供的利用贴图控制高光反射清晰度的装置可执行本发明任一实施例所提供的利用贴图控制高光反射清晰度的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种利用贴图控制高光反射清晰度的方法，其特征在于，包括：
获取模型上一像素点的所有反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素颜色的平均值作为模型该像素点的平均像素颜色值；
根据所述模型上该像素点的平均像素颜色值和菲涅尔系数得到所述模型上该像素点的高光值；其中，所述获取模型上一像素点的所有的反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素颜色的平均值作为模型该像素点的平均像素颜色值包括：
根据模型上该像素点的入射光线向量和该点的法线得到模型上该像素点的反射光线向量，获取所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点，通过UV坐标采样立方体环境贴图纹理，获得所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值；
根据光泽贴图的光泽度得到所需要采样的立方体贴图层次等级；
根据所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值、所述立方体贴图的层次等级得到模型上该像素点的平均像素颜色值；
其中，所述立方体贴图是通过在一个立方体上的六个面贴上前后左右上下六个贴图来模拟环境。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据光泽贴图的光泽度得到所需要采样的立方体贴图的层次等级包括：
a、设定一个与光泽度gloss有关的因子specExp：其中，specExp＝-10.0/log2(gloss*0.968+0.03)；
b、对specExp求平方：specExp*＝specExp；
c、计算概率密度函数：
PDF(u,r):＝(specExp+4)/(8*pi)*pow(dot(u,r),specExp)，其中，u为采样方向，r为反射光线向量；
d、根据概率密度函数计算采样的周围环境贴图的纹理映射等级贴图：
lod＝(0.5*log2((256.0*256.0)/float(SPECULAR_IMPORTANCE_SAMPLES))+0.5)-0.5*log2(PDF(u，r))；其中，float将重采样次数转换为浮点型数据类，SPECULAR_IMPORTANCE_SAMPLES为重采样次数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值、所述立方体贴图的层次等级得到模型上该像素点平均像素颜色值包括：
对模型上的该像素点的法线所在的半球面进行扰动，获取模型上该像素点的N条反射光线向量；
根据N条反射光线向量中的任意一条反射光线向量，得到所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值和所需要采样的立方体贴图的层次等级；
利用texcube(cubemap,uv，lod)函数得到模型上该像素点的像素颜色值；其中，cubemap为立方体贴图，uv为纹理坐标值，lod为立方体贴图的层次等级；
对上述进行循环操作，直至获得模型上该像素点的第N像素颜色值；
对所述模型上该像素点的N个像素颜色值求平均得到模型上该像素点平均像素颜色值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述模型上该像素点的N个像素颜色值求平均得到模型上该像素点平均像素颜色值包括：
<mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mi>N</mi> </mrow> </munder> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
SP为模型上该像素点的平均高光值，N为采样周围环境的次数，P(i)为第N像素颜色值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述模型上该像素点的平均像素颜色值和菲涅尔系数得到所述模型上该像素点的高光值包括：
Sfinal＝Sp*λ
其中λ为菲涅尔系数，Sfinal为模型上该像素点的高光值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光泽贴图的光泽度是可调节的，范围为[0,1]。
7.一种利用贴图控制高光反射清晰度的装置，其特征在于，包括：
平均像素颜色值获取模块，用于获取模型上一像素点的所有反射光线向量和立方体等级贴图面的交点的像素的平均值作为模型该像素点的平均像素颜色值；
高光值获取模块，用于根据模型上该像素点的平均像素颜色值和菲涅尔系数得到所述模型该像素点的高光值；其中，所述平均像素值获取模块具体用于：
根据模型上该像素点的入射光线向量和该像素点的法线得到模型上该像素点的反射光线向量，获取所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点，通过UV坐标采样立方体环境贴图纹理，获得反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值；
根据光泽贴图的光泽度得到所需要采样的立方体贴图层次等级；
根据所述反射光线向量与立方体贴图的面的交点的像素颜色值、所述立方体贴图的层次等级得到模型上该像素点的平均像素颜色值；
其中，所述立方体贴图是通过在一个立方体上的六个面贴上前后左右上下六个贴图来模拟环境。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述高光值获取模块具体用于利用如下公式计算所述模型该像素点的高光值，
Sfinal＝Sp*λ
其中λ为菲涅尔系数，Sfinal为模型上该像素点的高光值，SP为模型上该像素点的平均高光值。
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