CN112509108A - 基于gpu的顶点环境光遮蔽的生成方法以及图像渲染方法 - Google Patents

基于gpu的顶点环境光遮蔽的生成方法以及图像渲染方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法以及图像渲染方法,生成方法包括:将三角面片的所有顶点传入GPU,并将顶点的法向量贴图和位置贴图绑定到计算顶点环境光遮蔽的片元着色器;在单位球内平均采样多个采样方向,并计算在每个采样方向下的遮挡图,并将该遮挡图与计算顶点环境光遮蔽的片元着色器绑定,通过遍历位置贴图与法向量贴图中的顶点,根据顶点位置判断是顶点否被遮蔽,并输出到环境光遮蔽贴图;将每个采样方向对应的到环境光遮蔽贴图进行累加,得到每个顶点的环境光遮蔽。生成方法可以缩短顶点环境光遮蔽的计算耗时,提升顶点环境光遮蔽在实时渲染时的真实性。图像渲染方法可以提升渲染图像的真实感。

Description

基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法以及图像渲染方法
技术领域
本发明属于计算机图形学领域,具体涉及一种基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法和一种图像渲染方法。
背景技术
随着计算机硬件的发展,对于计算机渲染的图像,真实性上的要求越来越高。而其中表现环境光遮蔽(Ambient Occlusion)便是增加图像真实性的非常重要的一个手段。在实时渲染领域中,目前主要通过烘焙AO贴图等方式进行,但使用烘焙贴图会涉及到UV展开等问题。同时,烘焙的时间也较长,因此,提出了一种使用顶点AO来表现环境光遮蔽的方法。
顶点AO技术即是将每一个模型顶点的AO值存储在模型的顶点特征中,在进行实时渲染时,利用GPU的光栅化和对顶点特征插值这两个步骤,取得图像中每一个像素的AO值,最后计算得到最终的像素颜色。例如公布号为CN107633544A公开的环境光遮蔽的处理方法及装置,再例如公布号为CN102592305A公开的自适应的屏幕空间环境光遮蔽方法。
现有的顶点AO技术中,通常使用CPU来计算每一个顶点的AO。对于一个拥有大量面片的复杂模型,使用CPU计算,需要长时间的预计算,从而增加了渲染的时间成本。因此,利用GPU的特性降低顶点AO的生成时间显得尤为重要。
在实时渲染管线中,由于对顶点特征插值的工作由GPU自动进行,无法更改,而现实中顶点特征的变化规律往往与插值规律不符。因此,在现有技术中,当顶点AO运用于实时渲染时,会导致图像像素得到的插值后AO值与事实不符的情况发生,从而导致图像的真实性收到了限制。如一个三角面片的各个顶点均被环境遮蔽,导致AO值均较小,三角面片中的其他点插值获得的AO值也较小,但在实际情况中三角面片中心的点可能未被遮蔽,因此实际的AO值应该较大。
综上,结合现有图形学的技术,并根据实际情况调整最后顶点AO,使运用优化后的顶点AO绘制出的图像更贴近事实,是提高渲染质量的关键点之一。
发明内容
鉴于上述,本发明的第一目的是提供一种基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,以缩短顶点环境光遮蔽的计算耗时,提升顶点环境光遮蔽在实时渲染时的真实性。
本发明的第二目的是提供一种图像渲染方法,来提升渲染图像的真实感。
为实现上述第一目的,本发明实施例提供的一种基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,包括以下步骤:
将三角面片的所有顶点传入GPU,并将顶点的法向量贴图和位置贴图绑定到计算顶点环境光遮蔽的片元着色器;
在单位球内平均采样多个采样方向,并计算在每个采样方向下的遮挡图,并将该遮挡图与计算顶点环境光遮蔽的片元着色器绑定,通过遍历位置贴图与法向量贴图中的顶点,根据顶点位置判断是顶点否被遮蔽,并输出到环境光遮蔽贴图;
将每个采样方向对应的到环境光遮蔽贴图进行累加,得到每个顶点的环境光遮蔽。
优选地,所述计算在每个采样方向下的遮挡图包括:
根据模型大小生成包围盒和模型中心点Pc,并计算包围盒对角线长度d;
针对采样方向s,将相机设置在Pc+d*s位置,并面向模型中心点Pc进行平行投影,获得采样方向s下的遮挡图。
为了提升实施渲染的真实性,采用对顶点的环境光遮蔽的优化方案。优选地,依据面积阈值,将面积大于面积阈值的三角面片筛选出来作为优化三角面片,从优化三角面片的非顶点处采样多个样本点,并将该样本点作为优化三角面片的新顶点,与优化三角面片的顶点一起传入GPU,并构建顶点的法向量贴图和位置贴图。
优选地,当三角面片的顶点和样本点总和超过GPU允许的最大贴图尺寸时,采用Sampler2DArray的贴图类型来管理三角面片的顶点和采样点。
优选地,在获得样本点的环境光遮蔽后,利用样本点的环境光遮蔽对顶点的环境光遮蔽进行优化。
优选地,利用样本点的环境光遮蔽对顶点的环境光遮蔽进行优化的过程为:
将所有样本点的环境光遮蔽与GPU的插值公式建立矩阵,并将需要优化的所有顶点的环境光遮蔽作为未知数,创建线性代数等式,以利用运用顶点环境光遮蔽插值获得的样本点环境光遮蔽与判断计算出的样本点环境光遮蔽插值最小为目标,求解线性代数等式,将求解结果作为优化的顶点环境光遮蔽。
优选地,通过OpenGL图形API将三角面片的样本点和顶点上传至GPU。
为实现上述第二发明目的,本发明实施例提供的一种图像渲染方法,包括:
采用上述基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法生成三角面片的顶点环境光遮蔽;
依据所述顶点环境光遮蔽进行图像渲染。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果至少包括:
本发明提供的基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,通过将三角的所有顶点传入GPU,根据每个顶点的AO计算方式具有基本相同的特点,利用GPU批量绘制所有顶点来得到顶点的环境光遮蔽,缩短顶点环境光遮蔽的计算耗时,达到了计算加速的效果,同时针对大面积的三角片面的顶点,采用采样点的环境光遮蔽进行优化,提升顶点环境光遮蔽的准确性,进而提升了顶点环境光遮蔽在实时渲染时的真实性。
本发明提供的图像渲染方法,因为采用了上述基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法获得的准确的顶点环境光遮蔽进行实时渲染,大大提升了渲染图像真实感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动前提下,还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明一实施例提供的基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法的流程图;
图2是本发明一实施例提供的图像渲染方法的流程图;
图3(a)和图3(b)是本发明一实施例提供的采用优化前后的顶点环境光遮蔽进行图像渲染的结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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发明进行进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明,并不限定本发明的保护范围。
为了解决CPU计算顶点AO耗时长的问题,同时为了解决顶点AO在实时渲染中导致渲染图真实性有限的问题。实施例提供了一种基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法。如图1所示,实施例提供的一种基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法包括以下步骤:
S101,将模型渲染需要的所有三角面片划分成优化三角面片和正常三角面片。
优化三角面片是指需要优化顶点环境光遮蔽的三角面片,这种三角面片的面积一般都比较大,面片的中心点距离顶点位置远,顶点特征变化情况复杂,因此认为大面积的三角面片的顶点是需要特别注意且需要进行优化的顶点。面积较小的三角面片认为是不需要优化的,作为正常三角面片,正常三角面片的顶点环境光遮蔽不需要优化。
实施例中,根据预设的面积阈值,将面积大于面积阈值的三角面片筛选出来作为优化三角面片,将面积小于面积阈值的三角面片选出来作为正常三角面片。
S102,将三角面片的所有顶点传入GPU,并将顶点的法向量贴图和位置贴图绑定到计算顶点环境光遮蔽的片元着色器。
由于实施例提供的生成方法要求在片元着色器计算每个顶点的AO值时,片元着色器需要能够获得其中任意一顶点的位置与法向量,因此,需要生成两张贴图并绑定到片元着色器上。第一张贴图为位置贴图,存储了所有点的位置信息,第二张则为法向量贴图,存储了所有点的法向量信息。
实施例中,针对正常三角面片,直接将三角面片的顶点传入GPU,并构建顶点的法向量贴图和位置贴图后绑定到计算顶点环境光遮蔽的片元着色器。
针对优化三角面片,从优化三角面片的非顶点处采样多个样本点,并将该样本点作为优化三角面片的新顶点,与优化三角面片的顶点一起传入GPU,并构建新顶点和顶点的法向量贴图和位置贴图后绑定到计算顶点环境光遮蔽的片元着色器。
对于复杂的模型,顶点与样本点的总和可能超过GPU允许的最大贴图的像素值。因此,实施例可以采用类型为Sampler2DArray的贴图类型,既将所有的顶点信息存在一组贴图当中,在后面的顶点AO计算中通过贴图层数索引来选择某一张具体的贴图。
实施例中,可以通过OpenGL图形API将三角面片的样本点和顶点上传至GPU。
S103,生成顶点和样本点的环境光遮蔽。
环境光遮蔽系数计算的是任意一点(包括顶点和样本点)在以顶点法向量为中心的半球内,在各个方向被遮蔽情况的积分,既若将法向量记为n,采样方向记为d,则需满足cos(n,-d)≥0。通过在每个半球内平均采样选择大量方向,并累加其遮蔽情况来近似得到真实的AO值。而选择在一个球内通过平均采样选择2N个方向时,对于任意方向的法向量n,都有约N个方向d满足cos(n,-d)≥0。
对于每个点在采样方向的遮蔽情况,仅需比较该点在此方向平行投影下的深度d与整个模型在此方向平行投影下的最小深度d’。若d<=d’,则认为该点未被遮蔽,反之则为被遮蔽。而需要生成模型在采样方向平行投影下的最小距离,仅需要利用GPU生成采样方向下的shadow map即可。
在一个实施方式中,顶点和样本点环境光遮蔽系数的具体计算方法为:
在单位球内平均采样多个采样方向,并计算在每个采样方向下的遮挡图,并将该遮挡图与计算顶点环境光遮蔽的片元着色器绑定,通过遍历位置贴图与法向量贴图中的点,根据点位置判断是顶点否被遮蔽,并输出到环境光遮蔽贴图;将每个采样方向对应的到环境光遮蔽贴图进行累加,得到每个点的环境光遮蔽。该计算过程中的点均包括样本点和顶点。
具体地,可以采用以下方法计算在每个采样方向下的遮挡图:根据模型大小生成包围盒和模型中心点Pc,并计算包围盒对角线长度d;针对采样方向s,将相机设置在Pc+d*s位置,并面向模型中心点Pc进行平行投影,获得采样方向s下的遮挡图。
S104,根据样本点的环境光遮蔽优化顶点的环境光遮蔽。
实施例中,优化顶点的环境光遮蔽的核心思想就是样本点的AO值,模拟出三角面片顶点的AO值到三角面片上样本点的实际变化情况,修正顶点AO值,使其经GPU插值后得到的样本AO值变化与事实变化情况尽量贴近。
在一个实施方式中,利用样本点的环境光遮蔽对顶点的环境光遮蔽进行优化的过程为:
将所有样本点的环境光遮蔽与GPU的插值公式建立矩阵,并将需要优化的所有顶点的环境光遮蔽作为未知数,创建线性代数等式,以利用运用顶点环境光遮蔽插值获得的样本点环境光遮蔽与判断计算出的样本点环境光遮蔽插值最小为目标,求解线性代数等式,将求解结果作为优化的顶点环境光遮蔽。
S105,输出最终生成的顶点环境光遮蔽。
在输出顶点环境光遮蔽时,对于正常三角面片,直接读取顶点的AO贴图中的值作为最终结果输出,针对优化三角面片,将通过对线性代数等式求解得到的优化的顶点环境光遮蔽作为最终结果输出。
上述基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,通过将三角的所有顶点传入GPU,根据每个顶点的AO计算方式具有基本相同的特点,利用GPU批量绘制所有顶点来得到顶点的环境光遮蔽,缩短顶点环境光遮蔽的计算耗时,达到了计算加速的效果,同时针对优化三角片面的顶点,采用采样点的环境光遮蔽进行优化,提升顶点环境光遮蔽的准确性,进而提升了顶点环境光遮蔽在实时渲染时的真实性。
图2是本发明一实施例提供的图像渲染方法的流程图。如图2所示,实施例提供的图像渲染方法包括以下步骤:
S201,采用上述基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法生成三角面片的顶点环境光遮蔽;
S202,依据顶点环境光遮蔽进行图像渲染,获得渲染图。
图3(a)和图3(b)是采用优化前后的顶点环境光遮蔽进行图像渲染的结果图。分析图3(a)和图3(b),可以得到,因为采用了上述基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法获得的准确的顶点环境光遮蔽进行实时渲染,大大提升了渲染图像真实感。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明,应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例,并不用于限制本发明,凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,其特征在于,包括以下步骤:
将三角面片的所有顶点传入GPU,并将顶点的法向量贴图和位置贴图绑定到计算顶点环境光遮蔽的片元着色器;
在单位球内平均采样多个采样方向,并计算在每个采样方向下的遮挡图,并将该遮挡图与计算顶点环境光遮蔽的片元着色器绑定,通过遍历位置贴图与法向量贴图中的顶点,根据顶点位置判断是顶点否被遮蔽,并输出到环境光遮蔽贴图;
将每个采样方向对应的到环境光遮蔽贴图进行累加,得到每个顶点的环境光遮蔽。
2.如权利要求1所述的基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,其特征在于,所述计算在每个采样方向下的遮挡图包括:
根据模型大小生成包围盒和模型中心点Pc,并计算包围盒对角线长度d;
针对采样方向s,将相机设置在Pc+d*s位置,并面向模型中心点Pc进行平行投影,获得采样方向s下的遮挡图。
3.如权利要求1或2所述的基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,其特征在于,依据面积阈值,将面积大于面积阈值的三角面片筛选出来作为优化三角面片,从优化三角面片的非顶点处采样多个样本点,并将该样本点作为优化三角面片的新顶点,与优化三角面片的原顶点一起传入GPU,并构建顶点的法向量贴图和位置贴图。
4.如权利要求3所述的基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,其特征在于,当三角面片的顶点和样本点总和超过GPU允许的最大贴图尺寸时,采用Sampler2DArray的贴图类型来管理三角面片的顶点和采样点。
5.如权利要求3所述的基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,其特征在于,在获得样本点的环境光遮蔽后,利用样本点的环境光遮蔽对顶点的环境光遮蔽进行优化。
6.如权利要求5所述的基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,其特征在于,利用样本点的环境光遮蔽对顶点的环境光遮蔽进行优化的过程为:
将所有样本点的环境光遮蔽与GPU的插值公式建立矩阵,并将需要优化的所有顶点的环境光遮蔽作为未知数,创建线性代数等式,以利用运用顶点环境光遮蔽插值获得的样本点环境光遮蔽与判断计算出的样本点环境光遮蔽插值最小为目标,求解线性代数等式,将求解结果作为优化的顶点环境光遮蔽。
7.如权利要求1~6任一项所述的基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法,其特征在于,通过OpenGL图形API将三角面片的样本点和顶点上传至GPU。
8.一种图像渲染方法,其特征在于,包括:
采用权利要求1~7任一项所述的基于GPU的顶点环境光遮蔽的生成方法生成三角面片的顶点环境光遮蔽;
依据所述顶点环境光遮蔽进行图像渲染。
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