CN112381915A - 基于物理原理的环境光反射模拟方法、设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于物理原理的环境光反射模拟方法、设备和存储介质，属于实时渲染技术领域。该方法包括：通过基于物理原理的渲染方法，预生成2D环境贴图，该2D环境贴图包含被渲染物体的材质信息；根据被渲染物体的表面粗糙度的环境光反射信息，对2D环境贴图进行预处理，得到预处理后的2D环境贴图；对预处理后的2D环境贴图进行采样，并基于采样的数据，表达被渲染物体的环境光反射效果。本申请实施例可以通过一张独立的2D图替代现有技术中六张图组成的Cubemap，能够降低内存占用，同时能够提高渲染效率，而且，有效的解决了由于贴图采样的缓存丢失较多导致渲染的准确性低的问题，从而提高对环境光反射效果的渲染的准确性。

Description

基于物理原理的环境光反射模拟方法、设备和存储介质

技术领域

本申请涉及实时渲染技术领域，特别是涉及基于物理原理的环境光反射模拟方法、设备和存储介质。

背景技术

目前，在Unity3D中或者在实时渲染技术领域中，普遍采用立方体贴图(Cubemap)来实现环境光反射，即基于图像的照明(Image Based Lighting，简称IBL)，其中的图像即为Cubemap。然而，Cubemap不仅占用较多的内存，而且贴图采样的缓存丢失(cache miss)较多，既影响实时渲染的工作效率，又降低了效果渲染的准确性。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于物理原理的环境光反射模拟方法、设备和存储介质，以至少解决相关技术中对环境光反射效果进行渲染时存储成本高且渲染结果准确性低的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于物理原理的环境光反射模拟方法包括：通过基于物理原理的渲染方法，预生成2D环境贴图，所述2D环境贴图包含被渲染物体的材质信息；根据所述被渲染物体的表面粗糙度的环境光反射信息，对所述2D环境贴图进行预处理，得到预处理后的2D环境贴图；对所述预处理后的2D环境贴图进行采样，并基于采样的数据，表达所述被渲染物体的环境光反射效果。

在其中一些实施例中，所述的通过基于物理原理的渲染方法，预生成2D环境贴图包括：根据PBR渲染方法中的全局光照算法，预生成2D环境贴图。

在其中一些实施例中，所述的根据PBR渲染方法中的全局光照算法，预生成2D环境贴图包括：在以当前视角的场景作为预渲染条件下，或者在以美术偏向的风格作为预渲染条件下，根据PBR渲染方法中的全局光照算法，预生成2D环境贴图。

在其中一些实施例中，所述被渲染物体在所述2D环境贴图中的表面粗糙度默认为0，所述的根据所述被渲染物体的表面粗糙度的环境光反射信息，对所述2D环境贴图进行预处理，得到预处理后的2D环境贴图包括：基于物理原理，设定所述被渲染物体的表面粗糙度范围为0～1，并通过Mipmaps保存不同表面粗糙度对应的环境光反射信息；利用所述Mipmaps对所述2D环境贴图进行预处理，得到预处理后的2D环境贴图。

在其中一些实施例中，所述的对所述预处理后的2D环境贴图进行采样包括：根据视线方向和所述被渲染物体的法线方向对所述预处理后的2D环境贴图进行采样，同时对于不同的表面粗糙度，采样不同等级的多级纹理偏移量信息。

在其中一些实施例中，所述的对所述预处理后的2D环境贴图进行采样包括：基于蒙特卡洛的分布统计算法对所述预处理后的2D环境贴图进行离线采样。

第二方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括处理器和存储有计算机程序的存储介质，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述任一项所述的基于物理原理的环境光反射模拟方法。

第三方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的基于物理原理的环境光反射模拟方法。

根据上述内容，本申请实施例的基于物理原理的环境光反射模拟方法包括：通过基于物理原理的渲染方法，预生成2D环境贴图，该2D环境贴图包含被渲染物体的材质信息；根据被渲染物体的表面粗糙度的环境光反射信息，对2D环境贴图进行预处理，得到预处理后的2D环境贴图；对预处理后的2D环境贴图进行采样，并基于采样的数据，表达被渲染物体的环境光反射效果。本申请实施例可以通过一张独立的2D图替代现有技术中六张图组成的Cubemap，能够降低内存占用(即节约存储成本)，同时能够节约CPU计算成本，提高渲染效率，而且，有效的解决了由于贴图采样的缓存丢失较多导致渲染的准确性低的问题，从而提高对环境光反射效果的渲染的准确性。

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是本申请实施例的基于物理原理的环境光反射模拟方法的流程图；

图2是本申请实施例的不同材质的被渲染物体的2D环境贴图；

图3是本申请实施例的被渲染物体的不同表面粗糙度下不同的光反射效果示意图；

图4是本申请实施例的一被渲染物体的环境光反射效果示意图；

图5是本申请实施例的一被渲染物体的环境光反射效果示意图；

图6是本申请实施例的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

在游戏实时渲染的过程中，需要对环境光照进行真实的模拟还原，对于被渲染物体反射的环境光，在相关技术中采用IBL并基于图像来模拟，例如通过3D的Cubemap来做模拟还原，但是Cubemap不仅占用内存较多而且贴图采样的缓存丢失较多。因此，本申请实施例的基于物理原理的环境光反射模拟方法，可以通过一张独立的2D图替代六张图组成的Cubemap，所以对于内存占用而言，节约了5/6。同时，本申请实施例采用了基于物理拟合的方式来处理基于物理光照中的反射光双向分布的情况。

图1是本申请实施例的基于物理原理的环境光反射模拟方法的流程图，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S100：通过基于物理原理的渲染方法，预生成2D环境贴图，该2D环境贴图包含被渲染物体的材质信息；

步骤S200：根据被渲染物体的表面粗糙度的环境光反射信息，对2D环境贴图进行预处理，得到预处理后的2D环境贴图；

步骤S300：对预处理后的2D环境贴图进行采样，并基于采样的数据，表达被渲染物体的环境光反射效果。

以下，对每个步骤进行具体的说明。

在其中一些实施例中，步骤S100：通过基于物理原理的渲染方法，预生成2D环境贴图，该2D环境贴图包含被渲染物体的材质信息。例如，在渲染物体的时候，采用的是基于物理原理的PBR(Physicallly-Based Rendering)渲染方法，PBR是一种基于物体表面材质属性的着色方法，其中涉及的漫反射与反射是光线在物体表面作用的最基本的两个表现。当光线达到物体表面时，其中的一部分光线会沿着表面的垂直法线反弹向与来源光线相反的方向。在越光滑的表面就表现的越像镜面反射，这种现象称为表面高光(Specular)。然而，并不是所有的光线都会被反射，部分光线将进入被照射物体的内部，这部分光线一部分被物体吸收转换为热能，另一部分则会在物体内部发生散射，最终离开物体被人眼和摄像机捕获到，这一现象被叫做“漫反射”与“子表面散射”。另外，上述现象满足能量守恒，漫反射与反射是相互独立的两部分，入射光线的一部分在物体表面发生了反射，没有反射的一部分进入物体表面被吸收或者被散射。因此，可以得出一个重要的结论：漫反射光线+反射光线＝入射光线，这就是光线的能量守恒。这一现象就表现在，同样的光照条件下，反射越强烈的材质表面漫反射就越弱。图2是本申请实施例的不同材质的被渲染物体的2D环境贴图，如图2所示，不同材质的被渲染物体的表面漫反射不同(表现为图中的明暗程度不同)。

根据上述内容，在渲染环境光照GI(Global Illumination，即全局光照)反射的时候，本申请实施例通过一张预生成的环境贴图来指认被渲染物体的材质，即该环境贴图中包含被渲染物体的材质信息。其中，GI算法不仅考虑到直接来自光源的光照情况(直接光照)，也会考虑到来自相同光源的光线照射到场景中物体表面时，又反弹到其他表面的后续情况(间接光照)。在真实的世界里，光源会发射出大量的光子(Light photons)。光子达到物体表面后反弹(Bounce)，根据反弹表面的色彩面改变自身的颜色，最终进入我们的眼睛。GI全局照明模式就是尝试模拟这种光子反弹式的物理照明过程，这种光子模拟过程为渲染增加了真实感，从而能够得到更为生动、真实的画面。

在其中一些实施例中，在以当前视角的场景作为预渲染条件下，或者在以美术偏向的风格作为预渲染条件下，预生成上述2D环境贴图。换言之，可以通过当前视角的场景来预渲染，也可以通过美术偏向的指认做风格化的定制。

步骤S200：根据被渲染物体的表面粗糙度的环境光反射信息，对2D环境贴图进行预处理，得到预处理后的2D环境贴图。意味着，在使用上述预生成的2D环境贴图之前，本申请实施例需要对该图进行预处理。例如，默认上述预生成的2D环境贴图用于模拟物体表面粗糙度为0的反射情况，而实际上物体的表面粗糙度会有不同的值，假设在本申请实施例中将表面粗糙度规范到0～1的区间范围，并通过Mipmaps来保存不同表面粗糙度对应的环境光反射信息，利用Mipmaps对2D环境贴图进行预处理(即基于物理原理来对物体进行预处理)，得到预处理后的2D环境贴图。其中，上述Mipmaps是一种电脑图形图像技术，用于在三维图像的二维代替物中达到立体感效应。将Mipmaps技术与本申请实施例的材质贴图技术结合，能够根据距观看者远近距离的不同，以不同的分辨率将单一的材质贴图以多重图像的形式表现出来并代表平面纹理。

步骤S300：对预处理后的2D环境贴图进行采样，并基于采样的数据，表达被渲染物体的环境光反射效果。即在实际渲染采样的时候，可以根据视线方向(View Direction)和被渲染物体的法线方向(Normal Direction)来对上述预处理后的2D环境贴图进行采样，同时对于不同的表面粗糙度，采样不同等级的多级纹理偏移量(mipmap bias)信息，从而能够基于物理原理来表达不同表面粗糙度下的环境光反射效果。图3是本申请实施例的被渲染物体的不同表面粗糙度下不同的光反射效果示意图，如图3所示，被渲染物体的表面越光滑，则光的反射程度就越强烈。

在其中一些实施例中，为了基于物理原理去生成物理正确的表面粗糙度的拟合，可以基于蒙特卡洛的分布统计算法对上述预处理后的2D环境贴图进行离线采样。蒙特卡洛的分布统计算法的特点是，可以在随机采样上计算得到近似结果，随着采样的增多，得到的结果是正确结果的概率逐渐加大。较为重要的一点就是需要通过重要性采样去做采样策略，所以本申请实施例选取了基于2D图像物理上的物理正确的重要性采样策略来进行蒙特卡洛采样，比已知的完全基于高斯模糊或者均匀分布的采样更加具有物理正确的含义，对双项反射分布函数BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)也有更好的还原，从而提高环境光反射模拟(即渲染效果)的准确性。

图4是本申请实施例的一被渲染物体的环境光反射效果示意图，图5是本申请实施例的一被渲染物体的环境光反射效果示意图，如图4和图5所示，由于图5中的被渲染物体表面比图4中的被渲染物体表面更加粗糙，所以图5中被渲染物体的环境光反射效果相比较于图4更暗。另外，图4或图5中被渲染物体的各部位的环境光反射效果也渲染得很准确。

本申请实施例还提供一种电子设备，图6是本申请实施例的电子设备的结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括处理器81以及存储有计算机程序指令的存储器82。

具体地，上述处理器81可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

其中，存储器82可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器82可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，简称为HDD)、软盘驱动器、固态驱动器(SolidState Drive，简称为SSD)、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal SerialBus，简称为USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器82可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器82可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器82是非易失性(Non-Volatile)存储器。在特定实施例中，存储器82包括只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)和随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称为RAM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(ProgrammableRead-Only Memory，简称为PROM)、可擦除PROM(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EPROM)、电可擦除PROM(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EEPROM)、电可改写ROM(Electrically Alterable Read-OnlyMemory，简称为EAROM)或闪存(FLASH)或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，简称为SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，简称为DRAM)，其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器(Fast Page Mode Dynamic Random Access Memory，简称为FPMDRAM)、扩展数据输出动态随机存取存储器(Extended Date Out Dynamic RandomAccess Memory，简称为EDODRAM)、同步动态随机存取内存(Synchronous Dynamic Random-Access Memory，简称SDRAM)等。

存储器82可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器81所执行的可能的计算机程序指令。

处理器81通过读取并执行存储器82中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种基于物理原理的环境光反射模拟方法。

在其中一些实施例中，该电子设备还可包括通信接口83和总线80。其中，如图6所示，处理器81、存储器82、通信接口83通过总线80连接并完成相互间的通信。

通信接口83用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。通信端口83还可以实现与其他部件例如：外接设备、图像/数据采集设备、数据库、外部存储以及图像/数据处理工作站等之间进行数据通信。

总线80包括硬件、软件或两者，将电子设备的部件彼此耦接在一起。总线80包括但不限于以下至少之一：数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)、控制总线(ControlBus)、扩展总线(Expansion Bus)、局部总线(Local Bus)。举例来说而非限制，总线80可包括图形加速接口(Accelerated Graphics Port，简称为AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，简称为EISA)总线、前端总线(FrontSide Bus，简称为FSB)、超传输(Hyper Transport，简称为HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、无线带宽(InfiniBand)互连、低引脚数(Low Pin Count，简称为LPC)总线、存储器总线、微信道架构(Micro ChannelArchitecture，简称为MCA)总线、外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，简称为PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(Serial AdvancedTechnology Attachment，简称为SATA)总线、视频电子标准协会局部(Video ElectronicsStandards Association Local Bus，简称为VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线80可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。

另外，结合上述实施例中的基于物理原理的环境光反射模拟方法，本申请实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种基于物理原理的环境光反射模拟方法。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于物理原理的环境光反射模拟方法，其特征在于，包括：

通过基于物理原理的渲染方法，预生成2D环境贴图，所述2D环境贴图包含被渲染物体的材质信息；

根据所述被渲染物体的表面粗糙度的环境光反射信息，对所述2D环境贴图进行预处理，得到预处理后的2D环境贴图；

对所述预处理后的2D环境贴图进行采样，并基于采样的数据，表达所述被渲染物体的环境光反射效果。

2.根据权利要求1所述的基于物理原理的环境光反射模拟方法，其特征在于，所述的通过基于物理原理的渲染方法，预生成2D环境贴图包括：

根据PBR渲染方法中的全局光照算法，预生成2D环境贴图。

3.根据权利要求2所述的基于物理原理的环境光反射模拟方法，其特征在于，所述的根据PBR渲染方法中的全局光照算法，预生成2D环境贴图包括：

在以当前视角的场景作为预渲染条件下，或者在以美术偏向的风格作为预渲染条件下，根据PBR渲染方法中的全局光照算法，预生成2D环境贴图。

4.根据权利要求1所述的基于物理原理的环境光反射模拟方法，其特征在于，所述被渲染物体在所述2D环境贴图中的表面粗糙度默认为0，所述的根据所述被渲染物体的表面粗糙度的环境光反射信息，对所述2D环境贴图进行预处理，得到预处理后的2D环境贴图包括：

基于物理原理，设定所述被渲染物体的表面粗糙度范围为0～1，并通过Mipmaps保存不同表面粗糙度对应的环境光反射信息；

利用所述Mipmaps对所述2D环境贴图进行预处理，得到预处理后的2D环境贴图。

5.根据权利要求1所述的基于物理原理的环境光反射模拟方法，其特征在于，所述的对所述预处理后的2D环境贴图进行采样包括：

根据视线方向和所述被渲染物体的法线方向对所述预处理后的2D环境贴图进行采样，同时对于不同的表面粗糙度，采样不同等级的多级纹理偏移量信息。

6.根据权利要求1所述的基于物理原理的环境光反射模拟方法，其特征在于，所述的对所述预处理后的2D环境贴图进行采样包括：

基于蒙特卡洛的分布统计算法对所述预处理后的2D环境贴图进行离线采样。

7.一种电子设备，包括处理器和存储有计算机程序的存储介质，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的基于物理原理的环境光反射模拟方法。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的基于物理原理的环境光反射模拟方法。

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