CN111768473A - 图像渲染方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种图像渲染方法、装置及设备，涉及图像处理技术领域。其中方法包括：首先获取物体的表面法线信息和表面粗糙度信息；再根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息；然后依据光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象；最后利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据，以便根据该光照反射数据进行物体的图像渲染。本申请可使得物体间接光照输出的间接高光可跟随视点的变化而变化，得到物体材质所预期的各向同性和各向异性，进而得到的间接光照能够更好的基于物理表达。
Description
技术领域
本申请涉及图像处理技术领域，尤其是涉及到一种图像渲染方法、装置及设备。
背景技术
近些年来，三维动画在产品展示、游戏、广告、影视娱乐等行业得到广泛应用。为了提高三维动画画面的真实感，往往要求实现动画三维场景的全局光照绘制。全局光照可分解成直接光照和间接光照两部分。三维场景的直接光照绘制相对比较简单，已有不少成熟技术。实际上，三维场景的全局光照绘制的难点在于，如何高效地计算间接光照。
目前，可利用球谐光照(Spherical Harmonic Lighting)处理间接光照，球谐光照的实质就是将复杂的环境光照信号投影到基函数上存储，然后在渲染使用时再将基函数上的数据加起来重建间接光照信号，如各个基函数积分后进行求和平均计算得到光照信息。其中基函数是无穷维的，越高频的基函数越能描述更细节的光照信息，进而需要存储和传输更多基函数上的数据。然而，这样会让实时渲染中的还原重构计算成为效率的瓶颈，因此只能取前几组基函数来近似，进而会导致缺少间接光照中的间接高光部分，间接高光不能跟随视点的变化而变化，得到的间接光照不能基于物理表达，从而使得物体的光照效果较差。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种图像渲染方法、装置及设备，主要目的在于改善目前通过球谐光照处理间接光照的方式会导致缺少间接光照中的间接高光部分，间接高光不能跟随视点的变化而变化，得到的间接光照不能基于物理表达，从而使得物体的光照效果较差的技术问题。
依据本申请的一个方面，提供了一种图像渲染方法，该方法包括：
获取物体的表面法线信息和表面粗糙度信息；
根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息；
依据所述光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象；
利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据，以便根据所述光照反射数据进行所述物体的图像渲染。
依据本申请的另一方面，提供了一种图像渲染装置，该装置包括：
获取模块，用于获取物体的表面法线信息和表面粗糙度信息；
计算模块，用于根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息；
处理模块，用于依据所述光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象；
渲染模块，用于利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据，以便根据所述光照反射数据进行所述物体的图像渲染。
依据本申请又一个方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述图像渲染方法。
依据本申请再一个方面，提供了一种图像渲染设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述图像渲染方法。
借由上述技术方案，本申请提供的一种图像渲染方法、装置及设备，可根据物体的表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息，并依据光照环境参数信息和物体的表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象。与目前通过球谐光照处理间接光照的方式相比，本申请可利用球形高斯函数代替球谐函数，不仅可以保留间接光照的间接高光部分，而且后续利用该球形高斯对象的波瓣能量参数，可确定与当前视点方向信息对应的物体表面的光照反射数据，以便根据该光照反射数据进行物体的图像渲染，使得图像渲染后得到的物体表面的间接高光部分可跟随视点的变化而变化，得到物体材质所预期的各向同性和各向异性，进而得到的间接光照渲染效果能够更好的基于物理表达；并且支持基于物理的材质，补全各粗糙度材质上的高光表现，从而提升了物体的光照效果。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了本申请实施例提供的一种图像渲染方法的流程示意图；
图2示出了本申请实施例提供的三维高斯函数的坐标示意图；
图3示出了本申请实施例提供的一维高斯函数的极坐标示意图；
图4示出了本申请实施例提供的NDF模型在极坐标的分布曲线的示意图；
图5示出了本申请实施例提供的另一种图像渲染方法的流程示意图；
图6示出了本申请实施例提供的一种图像渲染装置的结构示意图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
针对改善目前通过球谐光照处理间接光照的方式会导致缺少间接光照中的间接高光部分，间接高光不能跟随视点的变化而变化，得到的间接光照不能基于物理表达，从而使得物体的光照效果较差的技术问题。本实施例提供了一种图像渲染方法，如图1所示，该方法包括：
101、获取物体的表面法线信息和表面粗糙度信息。
本实施例中的物体可为表面需要间接光照输出的物体，该物体可为游戏开发中的物体/人物的三维动画模型等。例如，在该物体三维动画模型的资源制作完成后，可从该物体的资源制作结果中读取该物体的表面法线信息和表面粗糙度信息。
对于本实施例的执行主体可为图像渲染装置或设备，如对三维动画物体的图像渲染等，可使得物体间接光照输出的间接高光部分能够支持基于物理的光照和材质，可获取该物体的表面法线信息和表面粗糙度信息，并结合光照方向信息和当前视点方向信息进行分析计算，具体可执行步骤102至104所示的过程。
102、根据物体的表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息。
其中，光照方向信息可包含光照方向向量，当前视点方向信息可包含当前的视点方向向量。在本实施例中，可通过系统传入光照方向信息和当前的视点方向信息，以便针对于当前的视点方向，并结合物体的表面法线方向和光照方向拟合计算出光照环境参数信息。
103、依据计算得到的光照环境参数信息和物体的表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象。
本实施例中可利用球形高斯函数(Spherical Gaussian，SG)代替球谐函数(Spherical Harmonic，SH)进行间接光照处理。与球谐光照的无穷正交基过滤相比，本实施例中的球形高斯对象的最明显的特点就是它利用球形高斯函数自身特性和少而直观的参数(波瓣能量参数)来保留和控制光照信号中的高频信息，即频率大于预设频率阈值的高频光照信息(包含间接高光点)。
例如，利用球形高斯对象的波瓣能量参数，基于球形高斯函数，控制间接高光点在球体上的相应波瓣，如高频光能量的形状和位置等。进一步的，为了使得间接高光点能够适应于基于物理的光照，需要依据计算得到的光照环境参数信息和物体的表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理。其中该法线分布决定了镜面高光整体的形状和强度，低粗糙度的物体表面材质会产生锐利清晰的镜面反射和狭窄细长的镜面波瓣。通过在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，使得利用球形高斯对象来逼近实现紧凑的高光和长拖尾的特征，并且最后经过处理可得到能够根据视点方向和物体表面粗糙度来控制波瓣强度的球形高斯对象。这样后续使得间接光照输出的间接高光能够跟随视点方向和/或物体表面材质的粗糙度的变化而变化，进而得到的间接光照能够更好的基于物理表达，可提升物体的光照效果。
需要说明的是，本实施例利用SG代替SH处理间接光照的方式，可同时适用于Lightmap和Probelit方案，为静态和动态物体计算和输出完整的间接照明，同时支持基于物理的光照和材质。
104、利用球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与当前视点方向信息对应的物体表面的光照反射数据，以便根据该光照反射数据进行物体的图像渲染。
对于本实施例，可利用球形高斯对象的波瓣能量参数，根据间接光照信息进一步计算得到与当前视点方向对应的该物体表面的光照反射数据，该光照反射数据中不但包含间接光照的间接高光部分，而且该间接高光部分能够跟随视点方向和/或物体表面材质的粗糙度的变化而变化。后续可根据该光照反射数据进行物体的图像渲染，使得物体的图像渲染效果更加基于物理表达。
本实施例提供的图像渲染方法，可根据物体的表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息，并依据光照环境参数信息和物体的表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象。与目前通过球谐光照处理间接光照的方式相比，本实施例可利用球形高斯函数代替球谐函数，不仅可以保留间接光照的间接高光部分，而且后续利用该球形高斯对象的波瓣能量参数，可确定与当前视点方向信息对应的物体表面的光照反射数据，以便根据该光照反射数据进行物体的图像渲染，使得图像渲染后得到的物体表面的间接高光部分可跟随视点的变化而变化，得到物体材质所预期的各向同性和各向异性，进而得到的间接光照渲染效果能够更好的基于物理表达；并且支持基于物理的材质，补全各粗糙度材质上的高光表现，从而提升了物体的光照效果。
进一步的，为了完整说明本实施例的实施方式，下面介绍一下本实施例方法的相关原理，首先介绍球形高斯函数的定义：
如公式一所示为高斯函数的一般定义，其中a、b与c为实数常数，且a>0。参数a指高斯曲线的峰值，b为其对应的横坐标，c即标准差(有时也叫高斯RMS宽值)，它控制着峰的宽度。exp()用于返回以e为底数，x为指数的指数函数值。
如图2所示，球形高斯函数结果是一类球面径向基函数，本质上是一个定义在一个球体的表面的高斯函数，也是两个单位向量间的角度函数。在球面上，采用两方向向量夹角的余弦来表示“距离”，成为给定点与高斯中心之间的笛卡尔距离。本实施例在公式一的基础上需要将(x–b)项改变为：
G(v；μ，λ，a)＝a exp(λ(μv-1)) 公式二
公式二中v代表方向向量；μ代表波瓣能量参数的波瓣方向，其对应波瓣的轴或方向，控制波瓣在球体上的位置，并始终指向波瓣的精确中心，而μ在本实施例中可以看作一个轴，或者叶的方向，它能有效的控制间接高光点所在的球面区域，而且总是指向的间接高光点的中心；λ代表波瓣能量参数的波瓣锐度，当这个值增加时，波瓣会变得“更瘦、窄”，意味着当离波瓣轴更远时，会得到更快地衰减结果，而λ在本实施例中可代表间接高光点的清晰度，随着λ值增加，间接高光点会变得“苗条”，这意味着结果会沿着轴更快的下降；a代表波瓣能量参数的波瓣强度，而a在本实施例中可代表控制间接高光点的振幅或强度。其中，本实施例中的波瓣能量参数可包含波瓣的方向、锐度、强度，即公式二中的μ、λ、a。
利用公式二中的这些波瓣参数，基于球形高斯函数控制间接高光点在球体上的相应波瓣，如间接高光点能量的形状和位置等。如图3所示，球形高斯函数在极坐标系中的一维高斯峰值，可对应的就是SG中的高光点(在二维空间得到一个一维的表现结果，以此类推)，其中波瓣强度可以是一个标量值，或者在图形应用程序中可以选择RGB值作为它来支持不同强度不同颜色的通道。
基于上述原理内容，本实施例可定义SG对象可包括Amplitude(a，波瓣强度)、Axis(μ，波瓣方向)、Sharpness(λ，波瓣锐度)。其中Amplitude可以是标量值，对于图形应用，也可以选择使其成为RGB三元对象，以支持不同颜色通道的不同强度，为颜色的定向分离技术提供支撑。
对于本实施例，根据上面球形高斯函数公式二和如上定义好的一个球形高斯对象，计算如图2中球面上某个点的SG结果，只需要球面上该点的标准化方向向量，就可以求出该点的球面高斯值。该球面高斯值表示在球面上某个间接光照点的SG结果。这里的SG结果从功能上可等价于SH中基函数的结果。具体可参考公式二中的内容进行配置球形高斯对象的标准化方向向量。
为了实现利用SG对象处理间接光照，本实施例需要进一步定义该SG对象的相关方法，如配置SG对象的向量积信息(标准化方向向量对应分量的乘积，其结果还是一个SG对象，即两个SG对象相乘得到的还是一个SG对象)、积分信息(SG对象的公式积分，和归一化的形式求解，这里归一化是对数据的数值范围进行特定缩放，但不改变其数据分布的一种线性特征变换；这里起到保证能量守恒)、标量积信息(两个SG对象的点积，即标量积)、能量阈值信息(沿着SG的方向向量，波瓣所张开的量)、向量旋转信息(对SG的方向向量进行旋转就可以得到旋转后的SG对象，同SH的旋转不变特性一样，保证了当环境光照发生相对旋转时，不会出现计算结果的闪烁；但是SH一旦超过一阶(L1、SH1)大于二阶(L2，SH2)时，就需要非常复杂的转换过程)。与此类问题相比，本实施例利用SG代替SH的处理方式能够很好的解决此类问题。
在定义SG对象的标准化方向向量，以及SG对象的相关方法(向量积信息、积分信息、归一化信息、标量积信息、能量阈值信息、向量旋转信息)之后，即可创建得到本实施例间接光照处理所需使用的球形高斯对象，后续可利用该球形高斯对象，实现利用球形高斯函数自身特性和少而直观的参数(波瓣能量参数)来保留和控制光照信号中的高频信息，即能够有效保留间接光照的间接高光部分。
以上介绍了根据SG计算一个球面上波瓣能量的表示，但还不能很好的适应于基于物理的光照；其中漫反射光照因为和视点无关还可继续沿用兰伯特漫反射来计算出射光的辐射率(dot(N，L))。而对于镜面反射，本实施例为了使得间接光照的间接高光部分支持基于物理的光照和材质，可采用微表面反射模型，一种双向反射分布函数(BidirectionalReflectance Distribution Function，BRDF)，是关于入射方向与出射方向的函数，具体可如公式三所示。
公式三中，n是宏观表面法线，h是微表面法线，v是视点方向向量，l是光照方向向量。G(l,v,h)项是几何函数(Geometry Function)，也被称为掩蔽阴影函数(Masking-Shadow Function)，描述微平面自阴影属性，即微面元并未被遮蔽的百分比。F(v,h)项是菲涅尔方程(Fresnel Equation)，描述不同的表面角下反射的光线所占的比率，从F0到F90，反射强度逐渐增加折射减少，反之亦然。D(h)项通常称为法线分布函数(NormalDistribution Function，NDF)，描述微面元上法线分布的概率，即正确朝向的法线的浓度，因为该分布决定了镜面高光整体的形状和强度，低粗糙度会产生锐利清晰的镜面反射和狭窄细长的镜面波瓣；通过美术材质中的粗糙度上做参数化，来描述和控制微平面的凹凸程度和其结果。
本实施例需要利用SG对NDF模型进行拟合。这里D(h)项采用的是BeckmannDistribution函数模型，具体可如公式四所示：
公式四中，n是宏观表面法线，h是微表面法线，m是物体表面粗糙度。如图4所示就是该Beckmann Distribution函数模型在极坐标的分布，当使用0.5的粗糙度时的波瓣频率，X轴代表表面法线和半角向量的夹角。由图4所示，D(h)项不仅是镜面反射BRDF中最重要的项，而且其走势非常类似于高斯的曲线，为了让高斯模型的峰值随着粗糙度变化而变化，利用简单的分析公式计算球面高斯的积分，因此可以将整个积分的幅度值设置为1(壹)，这样一个归一化的D(h)项可如公式五所示：
根据公式五中的定义，用单个球面高斯对象来逼近实现紧凑的高光和长拖尾的特征，来近似还原如图4所示的NDF曲线。
基于上述原理内容，进一步的，作为上述如图1所示实施例的具体实施方式的细化和扩展，本实施例还提供了另一种图像渲染方法，如图5所示，该方法包括：
201、获取物体的表面法线信息和表面粗糙度信息。
例如，首先定义所需的环境参数临时变量，均可在世界空间中进行。如vec3view对应视点向量，可由系统侧传入，如确定当前视点方向的视点向量，然后赋值于该变量view；vec3 light对应光照向量，同样可由系统侧传入，如确定光照方向的光照向量，然后赋值于该变量light；vec3normal对应表面法线，可在物体三维动画模型的资源制作完成后，可从该物体的资源制作结果中读取该表面法线normal；floatroughness对应表面粗糙度，可在物体三维动画模型的资源制作完成后，可从该物体的资源制作结果中读取该表面粗糙度roughness，取值范围限定在0.0到1.0之间。
202、利用当前视点方向的视点向量和光照方向的光照向量，计算单位化的半角向量。
例如，通过vec3H＝normalize(view+light)对应的功能函数，计算单位化的半角向量H。
203、将计算得到的半角向量与物体表面的法线向量作点积，并截取预设范围内的向量点积值作为光照环境参数信息。
例如，通过vec3NoH＝saturate(dot(normal,H))对应的功能函数，将半角向量H与物体表面的法线向量normal作点积，并截取0到1范围的点积。
204、创建球形高斯对象的临时变量。
205、基于法线分布函数，参照光照环境参数信息，配置临时变量的波瓣方向，以及参照物体的表面粗糙度信息，配置该临时变量的波瓣锐度以及波瓣强度。
例如，按照公式五中的内容，利用光照环境参数信息配置临时变量的波瓣方向；利用物体的微表面粗糙度m，配置临时变量的波瓣锐度，如波瓣锐度Sharpness＝2/m2；利用物体的微表面粗糙度m，配置临时变量的波瓣强度，如波瓣强度Amplitude＝1.0/(Pi*m2)。
206、利用临时变量的波瓣方向、波瓣锐度以及波瓣强度，控制产生球面波瓣作为球形高斯对象。
本实施例中，球形高斯对象可包括波瓣方向、波瓣锐度以及波瓣强度的波瓣能量参数，利用该波瓣能量参数，能够很好地控制产生球面波瓣作为球形高斯对象。
此过程相当于计算公式四中D(h)项的NDF分布，调用拟合函数去逼近GGX和Beckmann Distribution函数模型。最后可得到根据视点方向和物体表面粗糙度去控制波瓣强度的球形高斯对象。
207、利用球形高斯对象的波瓣方向、波瓣锐度以及波瓣强度，控制当前视点方向信息对应的间接光照点在球面上的形状和位置。
其中，间接光照点包括频率大于预设频率阈值的间接高光点。在本实施例中，可将物体表面每点的法向向量映射到一个单位球上，这个球称为高斯参考球(GaussianReference Sphere)。映射过程是这样的，将法向的起点平移至高斯参考球的球心，每个法向量会与高斯参考球的球面有一个交点，这个交点就称为法向在高斯球上的高斯映像。利用球形高斯对象的波瓣参数，控制间接高光点在高斯参考球上的形状和位置，使得利用高斯函数自身特性和少而直观的波瓣参数来保留和控制光照信号中的高频信息(间接高光部分)。
可选的，步骤207具体可包括：利用球形高斯对象的波瓣方向，控制间接高光点在球面上的位置，并唯一指向间接高光点的中心；以及利用球形高斯对象的波瓣锐度，控制间接高光点在球面上的清晰度；以及利用球形高斯对象的波瓣强度，控制间接高光点在不同颜色通道分别对应的强度。
对于在Probe探针上的存储，只需要存储波瓣强度Amplitude，波瓣方向Axis和波瓣锐度Sharpness，即可以用全局的常量控制并提前确定完毕。当然，增加波瓣(SG对象)的数量会增加复杂性和清晰度，但也会保留原始图像更多的高频细节；因为波瓣方向和锐度都是固定值，那么只需要储存振幅的数据即可，即12个球面高斯波瓣的存储成本等于12组RGB系数(总共36个浮点数)，二阶(L2)的球谐函数需要9组RGB系数(27个浮点数)，环境立方体贴图仅需要6组RGB系数，仅为球面高斯的一半，所以使用球形高斯需要更多存储空间。然而从另一个角度看这也是SG的优点，可以根据质量、性能和存储成本的实际需求来表达任意数量的镜面波瓣。
208、基于间接光照点在球面上对应的球面高斯值，确定与当前视点方向信息对应的物体表面的光照反射数据。
可选的，步骤208具体可包括：基于间接光照点在球面上对应的球面高斯值，利用微表面反射模型，计算物体表面的镜面反射光照数据。
在本实施例中，为了支持基于物理的光照模型和材质，采用了该微表面反射模型，该模型如公式三所示，是关于入射方向与出射方向的函数。在SH光照的计算中不仅需要更多的基函数来还原信息的原始频率，并且无法基于更复杂的基于物理的公式，因为积分中有多个项与观察者的视角有关，基于微平面理论的BRDF相比兰伯特漫反射BRDF复杂得多。对于漫反射光照，无论材质和观察方向如何，余弦波瓣(cosine lobe)都是相同的。但是镜面波瓣(specular lobe)会根据观察的方向、材质的粗糙度以及菲涅尔项(F0)的不同而发生变化；公式三中D项为法线分布函数，描述微面元的法线分布的概率，即正确朝向的法线的密度。可以在粗糙度上做参数化，描述微平面的凹凸程度。低粗糙度会产生锐利清晰的镜面反射和狭窄细长的镜面波瓣；高粗糙度会产生更宽的镜面波瓣；最后根据微表面反射模型中的数学定义，用SG近似法线分布项NDF函数，并采用GGX分布。
209、将光照反射数据发送给渲染器进行物体表面的光照输出。
其中，渲染器可为(Graphics Processing Unit，GPU)等。通过本实施例方法得到的物体表面光照输出效果。与通过球谐光照处理间接光照的方式相比，本实施例方法实现利用球形高斯函数自身特性和少而直观的参数(波瓣参数)来保留和控制光照信号中的高频信息，使得间接光照输出相比球谐光照处理方式更能基于物理的表达，可提升物体光照输出的效果，保证了实时渲染的丰富表现力。同时不会会让实时渲染中的还原重构计算成为效率的瓶颈，可保持很好的资源和运行时开销。通过本实施例方法球面高斯处理间接光照的方式，可完整对接美术的制作资源。
进一步的，若当前视点方向信息发生改变，则本实施例方法还可包括：根据物体的表面法线信息和光照方向信息，并结合最新的视点方向信息，重新计算光照环境参数信息；依据重新计算得到的光照环境参数信息和表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到新的球形高斯对象；最后利用新的球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与最新的视点方向信息对应的物体表面更新后的光照反射数据，并根据更新后的光照反射数据进行物体的图像渲染。
通过上述这种图像渲染方式，可使得图像渲染后得到的物体光照输出数据支持基于物理的光照，间接高光随视点的变化而变化，得到材质所预期的各项同性(在光照中，某材质微表面的出射光在各方向上均能到一致的能量分布，即为各向同性)和各向异性；并能够支持基于物理的材质，补全粗糙度中等材质上的高光表现，一般世界中大约百分之五十是0.7f>＝Rouguess>＝0.3f。
进一步的，作为图1和图5所示方法的具体实现，本实施例提供了一种图像渲染装置，如图6所示，该装置包括：获取模块31、计算模块32、处理模块33、渲染模块34。
获取模块31，可用于获取物体的表面法线信息和表面粗糙度信息；
计算模块32，可用于根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息；
处理模块33，可用于依据所述光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象；
渲染模块34，可用于利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据，以便根据所述光照反射数据进行所述物体的图像渲染。
在具体的应用场景中，所述计算模块32，具体可用于利用当前视点方向的视点向量和光照方向的光照向量，计算单位化的半角向量；将所述半角向量与所述物体表面的法线向量作点积，并截取预设范围内的向量点积值作为所述光照环境参数信息。
在具体的应用场景中，所述处理模块33，具体可用于创建球形高斯对象的临时变量；基于法线分布函数，参照所述光照环境参数信息，配置所述临时变量的波瓣方向，以及参照所述表面粗糙度信息，配置所述临时变量的波瓣锐度以及波瓣强度；利用所述临时变量的所述波瓣方向、所述波瓣锐度以及所述波瓣强度，控制产生球面波瓣作为所述球形高斯对象。
在具体的应用场景中，所述渲染模块34，具体可用于利用所述球形高斯对象的波瓣方向、波瓣锐度以及波瓣强度，控制当前视点方向信息对应的间接光照点在球面上的形状和位置，其中，所述间接光照点包括频率大于预设频率阈值的间接高光点；基于所述间接光照点在球面上对应的球面高斯值，确定所述光照反射数据。
在具体的应用场景中，所述渲染模块34，具体还可用于利用所述球形高斯对象的波瓣方向，控制所述间接高光点在球面上的位置，并唯一指向所述间接高光点的中心；利用所述球形高斯对象的波瓣锐度，控制所述间接高光点在球面上的清晰度；利用所述球形高斯对象的波瓣强度，控制所述间接高光点在不同颜色通道分别对应的强度。
在具体的应用场景中，所述渲染模块34，具体还可用于基于所述间接光照点在球面上对应的球面高斯值，利用微表面反射模型，计算所述物体表面的镜面反射光照数据。
在具体的应用场景中，所述渲染模块，具体还用于在所述利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据之后，将所述光照反射数据发送给渲染器进行所述物体表面的光照输出。
在具体的应用场景中，本装置还包括：更新模块；
更新模块，可用于若所述当前视点方向信息发生改变，则根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合最新的视点方向信息，重新计算光照环境参数信息；依据所述重新计算得到的光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到新的球形高斯对象；利用所述新的球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述最新的视点方向信息对应的所述物体表面更新后的光照反射数据，并根据更新后的光照反射数据进行所述物体的图像渲染。
需要说明的是，本实施例提供的一种图像渲染装置所涉及各功能单元的其它相应描述，可以参考图1和图5中的对应描述，在此不再赘述。
基于上述如图1和图5所示方法，相应的，本实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述如图1和图2所示的图像渲染方法。
基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施场景的方法。
基于上述如图1和图5所示的方法，以及图6所示的虚拟装置实施例，为了实现上述目的，本申请实施例还提供了一种图像渲染设备，具体可以为个人计算机、服务器、笔记本电脑、智能手机、智能电视、或其他网络设备等，该设备包括存储介质和处理器；存储介质，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现上述如图1和图2所示的图像渲染方法。
可选的，上述实体设备还可以包括用户接口、网络接口、摄像头、射频(RadioFrequency，RF)电路，传感器、音频电路、WI-FI模块等等。用户接口可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)等，可选用户接口还可以包括USB接口、读卡器接口等。网络接口可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)等。
本领域技术人员可以理解，本实施例提供的上述实体设备结构并不构成对该实体设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
存储介质中还可以包括操作系统、网络通信模块。操作系统是管理上述实体设备硬件和软件资源的程序，支持信息处理程序以及其它软件和/或程序的运行。网络通信模块用于实现存储介质内部各组件之间的通信，以及与信息处理实体设备中其它硬件和软件之间通信。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现，也可以通过硬件实现。通过应用本实施例的方案，可根据物体的表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息，并依据光照环境参数信息和物体的表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象。与目前通过球谐光照处理间接光照的方式相比，本实施例可利用球形高斯函数代替球谐函数，不仅可以保留间接光照的间接高光部分，而且后续利用该球形高斯对象的波瓣能量参数，可确定与当前视点方向信息对应的物体表面的光照反射数据，以便根据该光照反射数据进行物体的图像渲染，使得图像渲染后得到的物体表面的间接高光部分可跟随视点的变化而变化，得到物体材质所预期的各向同性和各向异性，进而得到的间接光照渲染效果能够更好的基于物理表达；并且支持基于物理的材质，补全各粗糙度材质上的高光表现，从而提升了物体的光照效果。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的。本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本申请序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本申请的几个具体实施场景，但是，本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本申请的保护范围。
本实施例还包括在下列编号条款中规定的这些和其他方面：
1、一种图像渲染方法，包括：
获取物体的表面法线信息和表面粗糙度信息；
根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息；
依据所述光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象；
利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据，以便根据所述光照反射数据进行所述物体的图像渲染。
2、根据条款1所述的方法，所述根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息，具体包括：
利用当前视点方向的视点向量和光照方向的光照向量，计算单位化的半角向量；
将所述半角向量与所述物体表面的法线向量作点积，并截取预设范围内的向量点积值作为所述光照环境参数信息。
3、根据条款2所述的方法，所述依据所述光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象，具体包括：
创建球形高斯对象的临时变量；
基于法线分布函数，参照所述光照环境参数信息，配置所述临时变量的波瓣方向，以及参照所述表面粗糙度信息，配置所述临时变量的波瓣锐度以及波瓣强度；
利用所述临时变量的所述波瓣方向、所述波瓣锐度以及所述波瓣强度，控制产生球面波瓣作为所述球形高斯对象。
4、根据条款3所述的方法，所述利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据，具体包括：
利用所述球形高斯对象的波瓣方向、波瓣锐度以及波瓣强度，控制当前视点方向信息对应的间接光照点在球面上的形状和位置，其中，所述间接光照点包括频率大于预设频率阈值的间接高光点；
基于所述间接光照点在球面上对应的球面高斯值，确定所述光照反射数据。
5、根据条款4所述的方法，所述利用所述球形高斯对象的波瓣方向、波瓣锐度以及波瓣强度，控制当前视点方向信息对应的间接光照点在球面上的形状和位置，具体包括：
利用所述球形高斯对象的波瓣方向，控制所述间接高光点在球面上的位置，并唯一指向所述间接高光点的中心；
利用所述球形高斯对象的波瓣锐度，控制所述间接高光点在球面上的清晰度；
利用所述球形高斯对象的波瓣强度，控制所述间接高光点在不同颜色通道分别对应的强度。
6、根据条款4所述的方法，所述基于所述间接光照点在球面上对应的球面高斯值，确定所述光照反射数据，具体包括：
基于所述间接光照点在球面上对应的球面高斯值，利用微表面反射模型，计算所述物体表面的镜面反射光照数据。
7、根据条款1所述的方法，所述根据所述光照反射数据进行所述物体的图像渲染，具体包括：
将所述光照反射数据发送给渲染器进行所述物体表面的光照输出。
8、根据条款1所述的方法，若所述当前视点方向信息发生改变，则所述方法还包括：
根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合最新的视点方向信息，重新计算光照环境参数信息；
依据所述重新计算得到的光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到新的球形高斯对象；
利用所述新的球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述最新的视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据。
9、一种图像渲染装置，包括：
获取模块，用于获取物体的表面法线信息和表面粗糙度信息；
计算模块，用于根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息；
处理模块，用于依据所述光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象；
渲染模块，用于利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据，以便根据所述光照反射数据进行所述物体的图像渲染。
10、根据条款9所述的装置，所述计算模块，具体用于利用当前视点方向的视点向量和光照方向的光照向量，计算单位化的半角向量；
将所述半角向量与所述物体表面的法线向量作点积，并截取预设范围内的向量点积值作为所述光照环境参数信息。
11、根据条款10所述的装置，所述处理模块，具体用于创建球形高斯对象的临时变量；
基于法线分布函数，参照所述光照环境参数信息，配置所述临时变量的波瓣方向，以及参照所述表面粗糙度信息，配置所述临时变量的波瓣锐度以及波瓣强度；
利用所述临时变量的所述波瓣方向、所述波瓣锐度以及所述波瓣强度，控制产生球面波瓣作为所述球形高斯对象。
12、根据条款11所述的装置，所述渲染模块，具体用于利用所述球形高斯对象的波瓣方向、波瓣锐度以及波瓣强度，控制当前视点方向信息对应的间接光照点在球面上的形状和位置，其中，所述间接光照点包括频率大于预设频率阈值的间接高光点；
基于所述间接光照点在球面上对应的球面高斯值，确定所述光照反射数据。
13、根据条款12所述的装置，所述渲染模块，具体还用于利用所述球形高斯对象的波瓣方向，控制所述间接高光点在球面上的位置，并唯一指向所述间接高光点的中心；
利用所述球形高斯对象的波瓣锐度，控制所述间接高光点在球面上的清晰度；
利用所述球形高斯对象的波瓣强度，控制所述间接高光点在不同颜色通道分别对应的强度。
14、根据条款12所述的装置，所述渲染模块，具体还用于基于所述间接光照点在球面上对应的球面高斯值，利用微表面反射模型，计算所述物体表面的镜面反射光照数据。
15、根据条款9所述的装置，所述渲染模块，具体还用于将所述光照反射数据发送给渲染器进行所述物体表面的光照输出。
16、根据条款9所述的装置，所述装置还包括：
更新模块，用于若所述当前视点方向信息发生改变，则根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合最新的视点方向信息，重新计算光照环境参数信息；
依据所述重新计算得到的光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到新的球形高斯对象；
利用所述新的球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述最新的视点方向信息对应的所述物体表面更新后的光照反射数据，并根据更新后的光照反射数据进行所述物体的图像渲染。
17、一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现条款1至8中任一项所述的图像渲染方法。
18、一种图像渲染设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现条款1至8中任一项所述的图像渲染方法。
Claims (10)
1.一种图像渲染方法，其特征在于，包括：
获取物体的表面法线信息和表面粗糙度信息；
根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息；
依据所述光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象；
利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据，以便根据所述光照反射数据进行所述物体的图像渲染。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息，具体包括：
利用当前视点方向的视点向量和光照方向的光照向量，计算单位化的半角向量；
将所述半角向量与所述物体表面的法线向量作点积，并截取预设范围内的向量点积值作为所述光照环境参数信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述依据所述光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象，具体包括：
创建球形高斯对象的临时变量；
基于法线分布函数，参照所述光照环境参数信息，配置所述临时变量的波瓣方向，以及参照所述表面粗糙度信息，配置所述临时变量的波瓣锐度以及波瓣强度；
利用所述临时变量的所述波瓣方向、所述波瓣锐度以及所述波瓣强度，控制产生球面波瓣作为所述球形高斯对象。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据，具体包括：
利用所述球形高斯对象的波瓣方向、波瓣锐度以及波瓣强度，控制当前视点方向信息对应的间接光照点在球面上的形状和位置，其中，所述间接光照点包括频率大于预设频率阈值的间接高光点；
基于所述间接光照点在球面上对应的球面高斯值，确定所述光照反射数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用所述球形高斯对象的波瓣方向、波瓣锐度以及波瓣强度，控制当前视点方向信息对应的间接光照点在球面上的形状和位置，具体包括：
利用所述球形高斯对象的波瓣方向，控制所述间接高光点在球面上的位置，并唯一指向所述间接高光点的中心；
利用所述球形高斯对象的波瓣锐度，控制所述间接高光点在球面上的清晰度；
利用所述球形高斯对象的波瓣强度，控制所述间接高光点在不同颜色通道分别对应的强度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述间接光照点在球面上对应的球面高斯值，确定所述光照反射数据，具体包括：
基于所述间接光照点在球面上对应的球面高斯值，利用微表面反射模型，计算所述物体表面的镜面反射光照数据。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述光照反射数据进行所述物体的图像渲染，具体包括：
将所述光照反射数据发送给渲染器进行所述物体表面的光照输出。
8.一种图像渲染装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取物体的表面法线信息和表面粗糙度信息；
计算模块，用于根据所述表面法线信息和光照方向信息，并结合当前视点方向信息，计算光照环境参数信息；
处理模块，用于依据所述光照环境参数信息和所述表面粗糙度信息，在高斯球面上进行镜面反射的法线分布处理，得到球形高斯对象；
渲染模块，用于利用所述球形高斯对象的波瓣能量参数，确定与所述当前视点方向信息对应的所述物体表面的光照反射数据，以便根据所述光照反射数据进行所述物体的图像渲染。
9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的图像渲染方法。
10.一种图像渲染设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至7中任一项所述的图像渲染方法。
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| CN111768473B (zh) | 2024-03-22 |
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Legal Events
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Application publication date: 20201013 Assignee: Beijing Xuanguang Technology Co.,Ltd. Assignor: Perfect world (Beijing) software technology development Co.,Ltd. Contract record no.: X2022990000514 Denomination of invention: Image rendering method, device and device License type: Exclusive License Record date: 20220817 |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |