CN112734899B - 物体表面局部自遮挡阴影的建模方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种物体表面局部自遮挡阴影的建模方法和装置，其中，方法包括：确定与表面点邻近的上方的所有近邻表面点；确定表面点与所有近邻表面点中的每个近邻表面点的连接法向；计算表面点的光源入射方向与每个近邻表面点的连接法向的夹角；根据夹角确定能够照射到表面点的所有光源入射方向组成的光源集合；根据所有光源入射方向组成的光源集合确定表面点接收到的光照。由此，提高了自遮挡阴影计算的效率。

Description

物体表面局部自遮挡阴影的建模方法和装置

技术领域

本发明涉及计算机视觉、计算机图形学技术领域，尤其涉及一种物体表面局部自遮挡阴影的建模方法和装置。

背景技术

在计算机图形学与视觉中，如何更好的渲染与处理物体表面的光影一直都是一个非常重要的问题。当物体表面出现一些局部的凹凸形变时，会因为自遮挡而产生一些阴影，例如人脸皱纹与衣服上的褶皱。

相关技术中，对于物体表面点与光源数量非常多的场景，处理这种自遮挡阴影的计算量会十分庞大。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种物体表面局部自遮挡阴影的建模方法，以提高了自遮挡阴影计算的效率。

本发明的第二个目的在于提出一种物体表面局部自遮挡阴影的建模装置。

本发明的第三个目的在于提出一种计算机设备。

本发明的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种物体表面局部自遮挡阴影的建模方法，包括以下步骤：

确定与表面点邻近的上方的所有近邻表面点；

确定所述表面点与所述所有近邻表面点中的每个所述近邻表面点的连接法向；

计算所述表面点的光源入射方向与每个所述近邻表面点的连接法向的夹角；

根据所述夹角确定能够照射到表面点的所有所述光源入射方向组成的光源集合；

根据所述所有所述光源入射方向组成的光源集合确定所述表面点接收到的光照。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种物体表面局部自遮挡阴影的建模装置，包括：第一确定模块，用于确定与表面点邻近的上方的所有近邻表面点；

第二确定模块，用于确定所述表面点与所述所有近邻表面点中的每个所述近邻表面点的连接法向；

计算模块，用于计算所述表面点的光源入射方向与每个所述近邻表面点的连接法向的夹角；

第三确定模块，用于根据所述夹角确定能够照射到表面点的所有所述光源入射方向组成的光源集合；

第四确定模块，用于根据所述所有所述光源入射方向组成的光源集合确定所述表面点接收到的光照。

为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述第一方面实施例所述的物体表面局部自遮挡阴影的建模方法。

为了实现上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种非临时性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第一方面实施例所述的物体表面局部自遮挡阴影的建模方法。

本发明的实施例，至少具有如下的技术效果：

能够快速计算物体表面的局部自遮挡，能够以高准确度对物体表面的局部自遮挡进行建模，并且，在光源位置发生变化、更改光照模型时可以重复利用一部分计算结果，若要计算某一表面点A的局部自遮挡阴影，需要计算各个光源能否照射到表面点A。为此本发明根据已知的物体几何首先计算表面点A的“连接法向”集合，再以此计算最终表面点A接收到的光照，提升了自遮挡阴影面积的计算效率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例所提供的一种物体表面局部自遮挡阴影的建模方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种物体表面局部自遮挡阴影的建模场景示意图；以及

图3为本发明实施例所提供的一种物体表面局部自遮挡阴影的建模装置的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的物体表面局部自遮挡阴影的建模方法和装置。

为了解决上述背景技术中提到的技术问题，本发明提出

图1为本发明实施例所提供的一种物体表面局部自遮挡阴影的建模方法和的流程示意图。

步骤101，确定与表面点邻近的上方的所有近邻表面点。

在本实施例中，确定与表面点的欧式距离小于预设距离阈值的候选近邻表面点，连接表面点到每个候选近邻表面点的连接向量，确定表面点的表面法向，进而，计算连接向量和表面法向的乘积值，确定乘积值大于0的候选近邻表面点为表面点上方的近邻表面点。

在本实施例中，若要计算某一表面点A的局部自遮挡阴影，需要计算各个光源能否照射到表面点A。为此本发明根据已知的物体几何首先计算表面点A的“连接法向”集合，再以此计算最终表面点A接收到的光照。

计算“连接法向”集合时，需要遍历表面点A的所有近邻表面点，当使用网格模型表达几何时，近邻表面点可以定义为与A的欧氏距离小于某一阈值的网格顶点。在表面点A上方的每一个近邻表面点都会计算得到一个“连接法向”，而在A下方的近邻表面点则不会参与之后的计算。这样做是因为物体只会接受其上方的光线，也只会被其上方的近邻表面点遮挡。近邻表面点B在表面点A上方的充要条件为下述公式(1)所描述的：

其中，

为表面点A到B的连线向量，

为A的表面法向，

步骤102，确定表面点与所有近邻表面点中的每个近邻表面点的连接法向。

在本实施例中，确定表面点与所有近邻表面点中的每个近邻表面点的连接法向。确定所述表面点到每个所述近邻表面点的连接向量，确定所述表面点的表面法向，进而，根据预设公式对所述连接向量和所述表面法向计算，得到每个所述近邻表面点的连接法向。

在本发明的一个实施例中，所述预设算法为下面的公式(2)和公式(3)：

其中，

是连接法向，

是单位化处理前的连接法向，

是连接向量，

是所述表面点的表面法向。“连接法向”为与连线AB垂直，且与表面点A的法线方向、连线AB共面的单位向量，注意这样的单位向量有方向相反的两个，“连接法向”只取与表面点A的法线方向夹角为锐角的单位向量。

值为

与

在

上的投影之差。对每一个在表面点A上方的近邻表面点都可以计算得到一个“连接法向”。这样的所有“连接法向”组成的集合记为表面点A的“连接法向”集合M_A。不同表面点的“连接法向”计算相互独立，便于GPU并行加速。

步骤103，计算表面点的光源入射方向与每个近邻表面点的连接法向的夹角。

步骤104，根据夹角确定能够照射到表面点的所有光源入射方向组成的光源集合。

在本实施例中，根据所述夹角为锐角的光源入射方向组成所述光源集合，在计算得到“连接法向”集合之后，便能够以此快速的计算各个光源是否能照射到表面点A。光源L能够照射到表面点A的充要条件是，表面点A到光源的连线方向与表面点A的所有“连接法向”夹角为锐角，即如下公式(4)：

其中，

为表面点A到光源L位置的连线向量，代表光源入射方向。若光源为平行光，即光源位置在无限远处，则可以直接使用该平行光的方向向量作为

注意这一方向向量也要由表面点A指向光源L。

步骤105，根据所有光源入射方向组成的光源集合确定表面点接收到的光照。

在本实施例中，在确定所有光源入射方向后，所有能够照射到表面点A且

的光源为集合L_A，则表面点A在考虑局部自遮挡时最终接收到的光照为下述公式(5)：

其中，l_i为光源的亮度，θ_i为所述表面点到光源位置的连线向量

与所表面点的表面法向

的夹角，L_A为所述光源集合，对于非平行光源需要在l_i中加入空间衰减项。

其中，在本发明的一个实施例中，在计算得到所有所述光源入射方向组成的光源集合确定所述表面点接收到的光照后，可以根据光照确定表面点的自遮挡面积，比如，直接将该光照作为自遮阴影面积的值，又比如，可以将该光照输入到预先训练的深度学习模型，获取该深度学习模型输出的自遮挡阴影面积。

为了使得本领域的技术人员，更加清楚的了解本发明能够在已有几何的基础上，快速计算在发生局部自遮挡时各个光源能否照射到各个表面点，从而建模物体表面的局部自遮挡阴影。下面结合具体的场景说明。

如图2所示，对于表面点A，在发生局部自遮挡时，其接收到的光源数会减少，本发明提出“连接法向”来辅助计算A实际接收到的光源，对于表面点A附近的某一表面点B，“连接法向”用于辅助计算表面点B对表面点A的遮挡。计算时首先要计算点A与点B的连线AB，“连接法向”为与连线AB垂直，且与表面点A的法线方向、连线AB共面的单位向量，注意这样的单位向量有方向相反的两个，“连接法向”只取与表面点A的法线方向夹角为锐角的单位向量。如图2所示，该图为物体表面横截面示意图，。

对表面点A的每一个近邻表面点，都可以计算出一个“连接法向”。由于物体只会接受其上方的光线，也只会被其上方的近邻表面点遮挡，因此只需要对其上方的每一个近邻表面点计算一个“连接法向”，这些“连接法向”组成表面点A的“连接法向”集合。

在本发明提出的模型中，光源可照射到表面点A的充要条件是，表面点A到光源的连线向量与表面点A的所有“连接法向”夹角都为锐角。

在计算完各个光源能否照射到之后，所有可以照射到表面点A的光源对A的光照之和即为A在发生局部自遮挡时实际接受到的光照。

从上述计算中可以发现，“连接法向”只与物体的几何有关，而与光源的位置无关，因此在光源位置发生变化、更改光照模型时，无需重复计算“连接法向”。并且不同表面点的“连接法向”计算相互独立，便于GPU并行加速。

综上，本发明实施例的物体表面局部自遮挡阴影的建模方法，能够快速计算物体表面的局部自遮挡，能够以高准确度对物体表面的局部自遮挡进行建模，并且，在光源位置发生变化、更改光照模型时可以重复利用一部分计算结果，若要计算某一表面点A的局部自遮挡阴影，需要计算各个光源能否照射到表面点A。为此本发明根据已知的物体几何首先计算表面点A的“连接法向”集合，再以此计算最终表面点A接收到的光照，提升了自遮挡阴影面积的计算效率。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种物体表面局部自遮挡阴影的建模装置。

图3为本发明实施例提供的一种物体表面局部自遮挡阴影的建模装置的结构示意图。

如图3所示，该物体表面局部自遮挡阴影的建模装置包括：第一确定模块310、第二确定模块320、计算模块330、第三确定模块340和第四确定模块350。

其中，第一确定模块310，用于确定与表面点邻近的上方的所有近邻表面点；

第二确定模块320，用于确定所述表面点与所述所有近邻表面点中的每个所述近邻表面点的连接法向；

计算模块330，用于计算所述表面点的光源入射方向与每个所述近邻表面点的连接法向的夹角；

第三确定模块340，用于根据所述夹角确定能够照射到表面点的所有所述光源入射方向组成的光源集合；

第四确定模块350，用于根据所述所有所述光源入射方向组成的光源集合确定所述表面点接收到的光照。

进一步地，在本发明实施例的一种可能的实现方式中，第一确定模块310，具体用于：

确定与所述表面点的欧式距离小于预设距离阈值的候选近邻表面点；

连接所述表面点到每个所述候选近邻表面点的连接向量；

确定所述表面点的表面法向；

计算所述连接向量和所述表面法向的乘积值；

确定所述乘积值大于0的候选近邻表面点为所述表面点上方的近邻表面点。

需要说明的是，前述对物体表面局部自遮挡阴影的建模方法实施例的解释说明也适用于该实施例的物体表面局部自遮挡阴影的建模装置，此处不再赘述。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述实施例所描述的物体表面局部自遮挡阴影的建模方法。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种非临时性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实施例所描述的物体表面局部自遮挡阴影的建模方法。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品中的指令处理器执行时，实现如上述实施例所描述的物体表面局部自遮挡阴影的建模方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种物体表面局部自遮挡阴影的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定与表面点邻近的上方的所有近邻表面点；

确定所述表面点与所述所有近邻表面点中的每个所述近邻表面点的连接法向；

计算所述表面点的光源入射方向与每个所述近邻表面点的连接法向的夹角；

根据所述夹角确定能够照射到表面点的所有所述光源入射方向组成的光源集合，其中，根据所述夹角为锐角的光源入射方向组成所述光源集合；

根据所述所有所述光源入射方向组成的光源集合确定所述表面点接收到的光照。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定与表面点邻近的上方的所有近邻表面点，包括：

确定与所述表面点的欧式距离小于预设距离阈值的候选近邻表面点；

连接所述表面点到每个所述候选近邻表面点的连接向量；

确定所述表面点的表面法向；

计算所述连接向量和所述表面法向的乘积值；

确定所述乘积值大于0的候选近邻表面点为所述表面点上方的近邻表面点。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述表面点与所述所有近邻表面点中的每个所述近邻表面点的连接法向，包括：

确定所述表面点到每个所述近邻表面点的连接向量；

确定所述表面点的表面法向；

根据预设公式对所述连接向量和所述表面法向计算，得到每个所述近邻表面点的连接法向。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设公式为：

其中，

是连接法向，

是单位化处理前的连接法向，

是连接向量，

是所述表面点的表面法向。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述所有所述光源入射方向组成的光源集合确定所述表面点接收到的光照，包括：

根据预设算法对所述所有所述光源入射方向计算确定所述光照，其中，所述预设算法的公式为：

其中，l_i为光源的亮度，θ_i为所述表面点到光源位置的连线向量与所表面点的表面法向的夹角，L_A为所述光源集合。

6.一种物体表面局部自遮挡阴影的建模装置，其特征在于，包括:

第一确定模块，用于确定与表面点邻近的上方的所有近邻表面点；

第二确定模块，用于确定所述表面点与所述所有近邻表面点中的每个所述近邻表面点的连接法向；

计算模块，用于计算所述表面点的光源入射方向与每个所述近邻表面点的连接法向的夹角；

第三确定模块，用于根据所述夹角确定能够照射到表面点的所有所述光源入射方向组成的光源集合，其中，根据所述夹角为锐角的光源入射方向组成所述光源集合；

第四确定模块，用于根据所述所有所述光源入射方向组成的光源集合确定所述表面点接收到的光照。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一确定模块，具体用于：

确定与所述表面点的欧式距离小于预设距离阈值的候选近邻表面点；

连接所述表面点到每个所述候选近邻表面点的连接向量；

确定所述表面点的表面法向；

计算所述连接向量和所述表面法向的乘积值；

确定所述乘积值大于0的候选近邻表面点为所述表面点上方的近邻表面点。

8.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-5中任一所述的方法。

9.一种非临时性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1-5中任一所述的方法。

Images