CN104463954B - 一种三维图像表面细节的模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维图像表面细节的模拟方法及系统，包括：创建网格模型，采样法线和细节法线贴图，生成每个像素的法线向量和细节法线向量采样细节权重图，获取细节法线每个像素的权重值w；将法线向量和细节法线向量进行叠加，得到混合法线向量其中采用混合法线向量进行模型计算。通过上述方法解决了现有技术中三维图像模拟技术存在逼真度低的缺陷，在保证渲染的帧率的同时，提高了三维图像的逼真度，增加更多的细节感，展现出更真实的画面效果。
Description
技术领域
本发明涉及计算机图形学领域，尤其涉及一种三维图像表面细节的模拟方法及系统。
背景技术
随着计算机图形学的发展，人们对图像逼真度的追求越来越高。利用图像学的技术可以描述越来越多的真实图像，其中通过法线贴图的方法可以是提高对三维图像描述的逼真度。在计算机处理能力有限的情况下或者渲染动画受时间限制时，法线贴图也是比较好的解决办法，最近法线贴图多用于CG动画的渲染以及游戏画面的制作上，将具有高细节的模型通过映射烘焙出法线贴图，然后赋予低端模型的法线贴图通道上，使其表面具有光影分布的渲染效果，能大大降低表现物体时需要的面数和计算内容，从而达到优化动画和游戏的渲染效果。法线其实就是一种凹凸，而法线贴图质量越高越清晰，用来刻画角色人物的外观是可以的，但是如果要更逼真的描绘出角色更多的真实的细节，单依靠法线贴图表达不出逼真的效果，例如角色人物皮肤的毛孔，胳膊上的毛细血管等。因此，现有技术的三维图像模拟技术存在逼真度低的缺陷。
发明内容
本发明提供一种三维图像表面细节的模拟方法及系统，以实现进一步提高三维图像模拟的逼真度。
第一方面，本发明实施例提供了一种三维图像表面细节的模拟方法，包括：
创建网格模型，采样法线和细节法线贴图，生成每个像素的法线向量和细节法线向量
采样细节权重图，获取细节法线每个像素的权重值w；
将法线向量和细节法线向量进行叠加，得到混合法线向量 其中
采用混合法线向量进行模型计算。
进一步地，所述采样法线和细节法线贴图具体包括：
利用tex2D函数读取切线空间法线向量和细节法线向量值其中 和的各坐标值取值范围∈(0,1)；
转化切线空间法线向量和细节法线向量取值范围，令 其中和各坐标值取值范围∈(-1,1)。
进一步地，所述法线向量和细节法线向量位于世界坐标系下，所述生成法线向量和细节法线向量包括：
根据网格模型的三角形顶点位置及UV坐标计算切线空间坐标系下的三角形顶点的切线向量副法线向量法线向量以及转换矩阵M；其中M为切线空间的3×3矩阵，
将切线空间坐标系下的法线向量和细节法线向量和转换为世界坐标系下的法线向量和其中
进一步地，所述方法在计算所述转换矩阵M之前，还包括：
判断模型是否镜像，当时，令切线向量副法线向量反 向。
进一步地，所述细节法线贴图通过重复平铺参数和偏移参数调节三维图像细节强弱程度，其中，重复平铺参数控制细节法线的重复平铺次数；偏移参数调整细节法线的坐标值在(-1,1)；所述权重值w是一个能够调节的常量，用于整体调节三维图像表面的明暗细节程度，w∈(0,1)。
第二方面，本发明实施例还提供了一种三维图像表面细节的模拟系统，包括：
法线向量和细节法线向量生成模块，用于创建网格模型，采样法线和细节法线贴图，生成每个像素的法线向量和细节法线向量
细节权重值获取模块，用于采样细节权重图，获取细节法线的每个像素的权重值w；
混合法线向量生成模块，用于将法线向量和细节法线向量进行叠加，得到混合法线向量其中
模型计算模块，用于采用混合法线向量进行模型计算。
进一步地，所述法线向量和细节法线向量生成模块还包括：
坐标值转换模块，用于利用tex2D函数读取切线空间法线向量和细节法线向量值其中和的各坐标值取值范围∈(0,1)；转化切线空间法线向量和细节法线向量取值范围，令其中和 各坐标值取值范围∈(-1,1)。
进一步地，所述法线向量和细节法线向量生成模块还包括：
空间转换模块，用于根据网格模型的三角形顶点位置及UV坐标计算切线空间坐标系下的三角形顶点的切线向量副法线向量法线向量以及转换 矩阵M；其中M为切线空间的3×3矩阵，将切线空间坐标系下的法线向量和细节法线向量和转换为世界坐标系下的法线向量和其中
进一步地，所述法线向量和细节法线向量生成模块还包括：模型镜像判断模块，用于判断模型是否镜像，当时，令切线向量副法线向量反向。
进一步地，所述细节法线贴图通过重复平铺参数和偏移参数调节三维图像细节强弱程度，其中，重复平铺参数控制细节法线的重复平铺次数；偏移参数调整细节法线的坐标值在(-1,1)；所述权重值w是一个能够调节的常量，用于整体调节三维图像表面的明暗细节程度，w∈(0,1)。
本发明通过在法线贴图的基础上增加细节法线贴图和细节权重图，解决了现有技术中三维图像模拟技术存在逼真度低的缺陷，在保证渲染的帧率的同时，提高了三维图像的逼真度，增加更多的细节感，展现出更真实的画面效果。
附图说明
图1为为本发明实施例一提供的一种三维图像表面细节的模拟方法的流程图；
图2a为本发明实施例一提供的基于UV坐标系下的三角形示意图；
图2b为本发明实施例一提供的三角形所在切线空间示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种三维图像表面细节的模拟系统的结构示意图。
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结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种三维图像表面细节的模拟方法的流程图，本实施例可适用于影视动画以及游戏制作场景中各图像模型的模拟，在三维建模时，通常设计建立两份模型，分别为高模和低模，然后从高模烘培法线贴图到低模上，从而在低模上拥有了更加明暗的细节，本发明在法线贴图的基础上增加了细节法线贴图和细节权重图进一步的来模拟角色的真实性。该方法可以由各三维建模软件来执行，例如Zbrush、MAYA、3DMAX等，具体包括如下步骤：
步骤110、创建网格模型，采样法线和细节法线贴图，生成每个像素的法线向量和细节法线向量
采用三维建模软件，例如Zbrush、MAYA、3DMAX等，创建网格模型，为模型赋予法线贴图、细节法线贴图。法线贴图存储的是网格模型中基于切线空间下每个像素的法线信息，细节法线贴图存储的是网格模型中基于切线空间下每个像素的细节法线信息。法线贴图和细节法线贴图实际上是纹理图，但纹理中存储的并不是颜色值，而是基于切线空间的向量值。向量以纹理的存储形式，纹理图片的三个通道R、G、B三个元素分别存储了向量的三个坐标值。然而，向量三个坐标值的取值范围均为(-1，1)，而纹理格式中R、G、B分量的范围是(0，255)。因此需从纹理文件中读取纹理值后，将其从(0，255)转换成 (-1，1)。利用tex2D函数读取切线空间法线向量和细节法线向量值其中和的各坐标值取值范围∈(0,1)，所述tex2D函数将纹理值从(0，255)转换成(0，1)。由于向量的取值范围应为(-1,1)，所以，转化切线空间法线向量和细节法线向量的取值范围，其中和各坐标值取值范围∈(-1,1)。
由于法线向量和细节法线向量是用于计算光照的，计算光照还需要光线向量，视点向量，其中，光线向量和视点向量是位于世界坐标系下的，而上述得到的法线向量和细节法线向量是位于切线空间坐标系下，所以需要将切线空间坐标系的法线向量和细节法线向量转化到世界坐标系下。
网格模型是三角形构成的，对于三角形每个顶点，其切线向量副法线向量法线向量组成了切线空间坐标系。根据网格模型的三角形顶点位置及UV坐标计算切线空间坐标系下的切线向量副法线向量法线向量具体计算方法如下，参见图2a和图2b：
设三角形ABC的三个顶点的UV坐标分别为：A(U1，V1)，B(U2，V2)，C(U3，V3)，则
其中，ΔUBA＝U2-U1，ΔUCA＝U3-U1，ΔVBA＝V2-V1，ΔVCA＝V3-V1。由上述公式可以得出切线向量副法线向量进而根据计算得出法线向量所述法线向量为其所在的所有三角形所对应的切线空间法线向量。构造转换矩阵M，M为切线空间的3×3矩阵，
将上述得到的基于切线空间坐标系下的法线向量和细节法线向量转换为世界坐标系下的法线向量和细节法线向量其中
步骤120、采样细节权重图，获取细节法线每个像素的权重值w；
细节权重值w是细节权重图中一个非常重要的参数，细节权重值是一个能够调节的常数，其取值范围为(0,1)，用于调节三维图像整体的明暗细节程度，细节权重值可以调节三角形面中每个像素的权重值。
步骤130、将法线向量和细节法线向量进行叠加，得到混合法线向量 其中
步骤140、采用混合法线向量进行模型计算。
在上述实施例的基础上，优选的，在计算所述转换矩阵M之前，先判断模型是否镜像，由于法线是矢量，有正负之分，所以可以利用法线的方向来判断模型UV是否镜像，当时，令切线向量副法线向量反向。
进一步地，采用重复平铺参数和偏移参数调节细节法线贴图的显示效果，以调节三维图像细节强弱程度。其中，重复平铺参数控制细节法线贴图在U和V方向上的重复平铺次数，使更多具有细节的模型表现得更真实；偏移参数将细节法线的坐标值约束在(-1,1)之间，使细节法线贴图能够无缝拼接，更准确的计算细节法线值。
本发明实施例通过在法线贴图的基础上增加细节法线贴图和细节权重图，共同完成更加精细的法线细节的描述，解决了现有技术中三维图像模拟技术存在逼真度低的缺陷，在保证渲染的帧率的同时，提高了三维图像的逼真度，增加更多的细节感，展现出更真实的画面效果。
实施例二
图3为本发明实施例二提供的一种三维图像表面细节的模拟系统的结构示意图。该系统包括：法线向量和细节法线向量生成模块310，细节权重值获取模块320，混合法线向量生成模块330，模型计算模块340。
其中，法线向量和细节法线向量生成模块310，用于创建网格模型，采样法线和细节法线贴图，生成每个像素的法线向量和细节法线向量细节权重值获取模块320，用于采样细节权重图，获取细节法线的每个像素的权重值w；混合法线向量生成模块330，用于将法线向量和细节法线向量进行叠加，得到混合法线向量其中模型计算模块340，用于采用混合法线向量进行模型计算。
进一步地，所述法线向量和细节法线向量生成模块还包括：坐标值转换模块311，用于利用tex2D函数读取切线空间法线向量和细节法线向量值其中和的各坐标值取值范围∈(0,1)；转化切线空间法线向量和细节法线向量取值范围，令其中和各坐标值取值范围∈(-1,1)。
由于法线贴图和细节法线贴图实际上是纹理图，但纹理中存储的并不是颜色值，而是基于切线空间的向量值。向量以纹理的存储形式，纹理图片的三个通道R、G、B三个元素分别存储了向量的三个坐标值。然而，向量三个坐标值的取值范围均为(-1，1)，而纹理格式中R、G、B分量的范围是(0，255)。因此需从纹理文件中读取纹理值后，将其从(0，255)转换成(-1，1)。利用tex2D函数读取切线空间法线向量和细节法线向量值其中 和的各坐标值取值范围∈(0,1)，所述tex2D函数将纹理值从(0，255) 转换成(0，1)。由于向量的取值范围应为(-1,1)，所以，转化切线空间法线向量和细节法线向量的取值范围，其中和各坐标值取值范围∈(-1,1)。
进一步地，所述法线向量和细节法线向量生成模块还包括：空间转换模块312，用于根据网格模型的三角形顶点位置及UV坐标计算切线空间坐标系下的三角形顶点的切线向量副法线向量法线向量以及转换矩阵M；其中M为切线空间的3×3矩阵，将切线空间坐标系下的法线向量和细节法线向量和转换为世界坐标系下的法线向量和其中
具体转换过程如下：
根据网格模型的三角形顶点位置及UV坐标计算切线空间坐标系下的切线向量副法线向量法线向量设三角形ABC的三个顶点的UV坐标分别为：A(U1，V1)，B(U2，V2)，C(U3，V3)，则
其中，ΔUBA＝U2-U1，ΔUCA＝U3-U1，ΔVBA＝V2-V1，ΔVCA＝V3-V1。由上述公式可以得出切线向量副法线向量进而根据计算得出法线向量所述法线向量为其所在的所有三角形所对应的切线空间法线向量。构造转换矩阵M，M为切线空间的3×3矩阵，将上述得到的基于切线空间坐标系下的法线向量和细节法线向量转换为世界坐 标系下的法线向量和细节法线向量其中
在上述实施例的基础上，优选地，所述法线向量和细节法线向量生成模块还包括：模型镜像判断模块313，用于判断模型是否镜像，当时，令切线向量副法线向量反向。
在计算所述转换矩阵M之前，先判断模型是否镜像，由于法线是矢量，有正负之分，所以可以利用法线的方向来判断模型UV是否镜像，当 时，令切线向量副法线向量反向，从而保证法线向量和细节法线向量获取的准确性。
优选地，采用重复平铺参数和偏移参数调节细节法线贴图的显示效果，以调节三维图像细节强弱程度。其中，重复平铺参数控制细节法线贴图在U和V方向上的重复平铺次数，使更多具有细节的模型表现得更真实；偏移参数将细节法线的坐标值约束在(-1,1)之间，使细节法线贴图能够无缝拼接，更准确的计算细节法线值。
进一步地，所述细节权重值获取模块获取的细节权重值是细节权重图中一个非常重要的参数，细节权重值是一个能够调节的常数，其取值范围为(0,1)，用于调节三维图像整体的明暗细节程度，可以调节三角形面中每个像素的权重值。
本实施例通过该三维图像表面细节的模拟系统的各模块间顺序工作，实现了进一步提高三维图像模拟的逼真度。上述三维图像表面细节的模拟系统可执行本发明实施例一所提供的三维图像表面细节的模拟方法，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 (10)
1.一种三维图像表面细节的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
创建网格模型，采样法线和细节法线贴图，生成每个像素的法线向量和细节法线向量
采样细节权重图，获取细节法线每个像素的权重值w；
将法线向量和细节法线向量进行叠加，得到混合法线向量其中
采用混合法线向量进行模型计算；
其中，所述细节法线贴图存储的是网格模型中基于切线空间下每个像素的细节法线信息，是一种纹理图，所述纹理图的纹理存储基于切线空间的向量的坐标值；
所述细节权重图通过权重值调节三维图像整体的明暗细节程度。
2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，所述采样法线和细节法线贴图具体包括：
利用tex2D函数读取切线空间法线向量和细节法线向量值其中和的各坐标值取值范围∈(0,1)；
转化切线空间法线向量和细节法线向量取值范围，令 其中和各坐标值取值范围∈(-1,1)。
3.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，所述法线向量和细节法线向量位于世界坐标系下，所述生成法线向量和细节法线向量包括：
根据网格模型的三角形顶点位置及UV坐标计算切线空间坐标系下的三角形顶点的切线向量副法线向量法线向量以及转换矩阵M；其中M为切线空间的3×3矩阵，
将切线空间坐标系下的法线向量和细节法线向量和转换为世界坐标系下的法线向量和其中
4.根据权利要求3所述的模拟方法，其特征在于，在计算所述转换矩阵M之前，还包括：
判断模型是否镜像，当时，令切线向量副法线向量反向。
5.根据权利要求1-4中任一所述的模拟方法，其特征在于，所述细节法线贴图通过重复平铺参数和偏移参数调节三维图像细节强弱程度，其中，重复平铺参数控制细节法线的重复平铺次数；偏移参数调整细节法线的坐标值在(-1,1)；所述权重值w是一个能够调节的常量，用于整体调节三维图像表面的明暗细节程度，w∈(0,1)。
6.一种三维图像表面细节的模拟系统，其特征在于，包括：
法线向量和细节法线向量生成模块，用于创建网格模型，采样法线和细节法线贴图，生成每个像素的法线向量和细节法线向量
细节权重值获取模块，用于采样细节权重图，获取细节法线的每个像素的权重值w；
混合法线向量生成模块，用于将法线向量和细节法线向量进行叠加，得到混合法线向量其中
模型计算模块，用于采用混合法线向量进行模型计算；
其中，所述细节法线贴图存储的是网格模型中基于切线空间下每个像素的细节法线信息，是一种纹理图，所述纹理图的纹理存储基于切线空间的向量的坐标值；
所述细节权重图通过权重值调节三维图像整体的明暗细节程度。
7.根据权利要求6所述的模拟系统，其特征在于，所述法线向量和细节法线向量生成模块还包括：
坐标值转换模块，用于利用tex2D函数读取切线空间法线向量和细节法线向量值其中和的各坐标值取值范围∈(0,1)；转化切线空间法线向量和细节法线向量取值范围，令其中和各坐标值取值范围∈(-1,1)。
8.根据权利要求7所述的模拟系统，其特征在于，所述法线向量和细节法线向量生成模块还包括：
空间转换模块，用于根据网格模型的三角形顶点位置及UV坐标计算切线空间坐标系下的三角形顶点的切线向量副法线向量法线向量以及转换矩阵M；其中M为切线空间的3×3矩阵，
将切线空间坐标系下的法线向量和细节法线向量和转换为世界坐标系下的法线向量和其中
9.根据权利要求8所述的模拟系统，其特征在于，所述法线向量和细节法线向量生成模块还包括：模型镜像判断模块，用于判断模型是否镜像，当时，令切线向量副法线向量反向。
10.根据权利要求6-9中任一所述的模拟系统，其特征在于，所述细节法线贴图通过重复平铺参数和偏移参数调节三维图像细节强弱程度，其中，重复平铺参数控制细节法线的重复平铺次数；偏移参数调整细节法线的坐标值在(-1,1)；所述权重值w是一个能够调节的常量，用于整体调节三维图像表面的明暗细节程度，w∈(0,1)。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |