CN114170367A - 无限视距椎状热图渲染的方法、装置、存储介质和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无限视距椎状热图渲染的方法，所述方法包括如下步骤：获取热点数据信息，设置渲染状态，并将所述热点数据信息传递至GPU中；利用光线检测与AABB包围盒的碰撞情况，并进行场景深度测试，剔除不参与采样计算的采样点；按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图；将所述椎状热图与已有场景混合输出至显示器。本发明基于光线步进的渲染方案，可以具有无视场景尺寸的渲染能力，以及无需担心性能问题。本发明还涉及一种无限视距椎状热图渲染的装置、存储介质和设备。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种无限视距椎状热图渲染的方法、装置、存储介质和设备。
背景技术
在数字孪生系统中，用户需要在超大城市规模场景中绘制热力效果图，用于表示密度、流量等数据。但传统的椎体热力图强烈依赖于建模，且为了绘制出光滑椎体，需要在场景中制作精度超高的网格面片，从而大大增加了工作量，而且还给系统带来较大性能损耗。如果采用独立椎体建模又不能模拟出热点间数据的平滑过渡。
以及，传统渲染方案仅限于在模型表面着色，无法精确的表示3D空间中的密度数据。
因此，本领域迫切需要开发出一种不依赖于建模以及不会产生因为模型精度不够而产生椎体不光滑或有锯齿的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无限视距椎状热图渲染的方法、装置、存储介质和设备，主要用于解决现有的渲染方案依赖建模，与场景规模大小有关联，且会出现因为模型精度不够而产生的椎体不光滑或锯齿的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种无限视距椎状热图渲染的方法，所述方法包括如下步骤：
获取热点数据信息，设置渲染状态，并将所述热点数据信息传递至GPU中；
利用光线检测与AABB包围盒的碰撞情况，并进行场景深度测试，剔除不参与采样计算的采样点；
按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图；
将所述椎状热图与已有场景混合输出至显示器。
进一步地，所述获取热点数据信息，设置渲染状态，并将所述热点数据信息传递至GPU中包括:
获取热点数据信息，设置降采样倍数与光线步进参数；
拟合隐式椎体模型，拟合公式为：f(x)＝0.2555*pow(x,2.0)+2*cos(x)；
利用拟合出的隐式椎体模型，结合所述热点数据信息计算每个光滑椎体的AABB。
进一步地，所述利用光线检测与AABB包围盒的碰撞情况，并进行场景深度测试，剔除不参与采样计算的采样点包括：
计算光线起始位置ro和光线前进方向rd；
利用光线与AABB包围盒的碰撞情况，判断光线与AABB包围盒是否有交点，若有交点则当前光路需进行采样，同时记录出光线距离最小入点和最大触点的距离值，分别为d1和d2；若无交点则无需进行采样，并且不参与后续热图采样过程；
对通过RayAABB检测的采样点进行深度测试，若d1大于当前像素的场景深度，则直接剔除该采样点；若d2大于当前像素的场景深度，则更新d2为当前像素的场景深度。
进一步地，所述按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图包括：
设置单次光线步进距离rl，累积步进dist，在光路[d1,d2]范围内对所述隐式椎体模型进行采样，当前采样点的世界坐标为sp，
sp＝ro+rd*dist；
将sp从世界坐标转换到单个椎体模型的局部坐标系，输出各个采样点颜色，单个采样点颜色为Csp，color为基础色，其中，
对光路[d1,d2]范围内的所有单个采样点颜色Csp进行累加计算，得出当前像素最终颜色C，进而得到渲染椎状热图，其中颜色C如下：
进一步地，所述按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图还包括：
利用蓝噪声纹理进行降噪处理；
利用时域降噪方式对蓝噪声进行平滑处理。
进一步地，所述按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图还包括：
对于采样点靠近多个椎体模型时，采用smax算法对数值进行平滑过渡。
本发明的有益效果是：提出了一种无限视距椎状热图渲染的方法，基于光线步进的渲染方案，而非传统建模方案，拥有无视场景尺寸的渲染能力，无需担心性能问题。本发明还可以在两个椎体间模拟出更平滑的几何体网格过渡，也可以体现数据之间的平滑过渡。
本发明还解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种无限视距椎状热图渲染的装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取热点数据信息与设置渲染状态，并将所述热点数据信息传递至GPU中；
剔除模块，用于利用光线检测与AABB包围盒的碰撞情况，并进行场景深度测试，剔除不参与采样计算的采样点；
渲染模块，用于按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图；
输出模块，用于将所述椎状热图与已有场景混合输出至显示器。
进一步地，所述获取模块包括：
设置模块，用于获取热点数据信息，设置降采样倍数与光线步进参数；
拟合模块，用于拟合隐式椎体模型，拟合公式为：
f(x)＝0.2555*pow(x,2.0)+2*cos(x)；
计算模块，用于利用拟合出的隐式椎体模型，结合所述热点数据信息计算每个光滑椎体的AABB。
此外，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述技术方案中任一项所述的无限视距椎状热图渲染的方法中的步骤。
本发明还提供一种无限视距椎状热图渲染的设备，包括：处理器和存储器；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上述技术方案中任一项所述的无限视距椎状热图渲染的方法中的步骤。
本发明附加的方面的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，或通过本发明实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的一种无限视距椎状热图渲染的方法的流程示意图；
图2为隐式椎体模型的拟合曲线示意图；
图3为本发明另一实施例所述的一种无限视距椎状热图渲染的装置的模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种无限视距椎状热图渲染的方法包括以下步骤：
110、获取热点数据信息，设置渲染状态，并将所述热点数据信息传递至GPU中；
120、利用光线检测与AABB包围盒的碰撞情况，并进行场景深度测试，剔除不参与采样计算的采样点；
130、按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图；
140、将所述椎状热图与已有场景混合输出至显示器。
本发明基于光线步进的渲染方案，而非传统建模方案，拥有无视场景尺寸的渲染能力，无需担心性能问题。
进一步地，步骤110中所述获取热点数据信息，设置渲染状态，并将所述热点数据信息传递至GPU中具体包括如下步骤：
111、获取热点数据信息，设置降采样倍数与光线步进参数；
112、拟合隐式椎体模型，拟合公式为：f(x)＝0.2555*pow(x,2.0)+2*cos(x)；
113、利用拟合出的隐式椎体模型，结合所述热点数据信息计算每个光滑椎体的AABB。利用拟合公式，利用用户输入数据计算出每个光滑椎体的AABB，设P为热点位置，R为热点辐射半径，W为椎体纵向缩放权重，则可计算出AABB的最小点m1和最大点m2。用户输入数据为热点位置、热点辐射半径与椎体纵向缩放权重数据；其中，
m1＝float3(-R,-R,0)+P；
m2＝float3(R,R,R/r*2.0*W)+P。
上述拟合公式为曲线Bf1＝2*cos(x)和曲线Af2＝0.2555*pow(x,2.0)之和，如图2所示，拟合出的隐式椎体模型对应的曲线C在y＝0处，斜率为0，这样椎体和大场景在视觉上拥有更好的融合效果，通过拟合计算出椎体的半径r＝2.379。
步骤110中渲染状态在CPU端设置，具体包括降采样倍数与光线步进参数的设置。其中，关于降采样倍数的设置，降采样用于提升渲染速率，在常见的1920*1080显示器中，只需要渲染分辨率为960*540，在更大的场景中渲染分辨率可以设置为480*270，由此可在不大幅影响渲染效果的情况下成倍提升渲染速率。关于光线步进参数的设置，比如设置光线单次步进的长度为rl，蓝噪声(bluenoise)纹理用于后续给渲染结果进行降噪，以及场景深度缓冲纹理中用于深度测试。
进一步地，步骤120中利用光线检测与AABB包围盒的碰撞情况，并进行场景深度测试，剔除不参与采样计算的采样点具体包括如下步骤：
121、计算光线起始位置ro和光线前进方向rd；
此处模拟屏幕每个像素向场景中透射一条光线，光线为射线，所以ro为相机位置。rd可利用相机的FOV(field of view，相机水平方向的最大角度)以及屏幕像素尺寸ScreenSize来推导，设uv为单个像素的在屏幕上的UV排布，则：
float2 yz＝(uv-float2(0.5,0.5))*ScreenSize；
float x＝(Screen.x*0.5)/(tan(radians(FOV*0.5)))；
float3 rd＝float3(x,yz)；
其中radians公式为角度单位转弧度单位。
122、利用光线与AABB包围盒的碰撞情况，判断光线与AABB包围盒是否有交点，若有交点则当前光路需进行采样，同时记录出光线距离最小入点和最大触点的距离值，分别为d1和d2；若和所有AABB都没有无交点，则认为不需要进行采样，并且不参与后续的热图采样过程。
123、对通过RayAABB检测的采样点进行深度测试，若d1大于当前像素的场景深度，则直接剔除该采样点，不再参与后续采样计算过程；若d2大于当前像素的场景深度，则更新d2为当前像素的场景深度，避免进行不必要的采样计算，由此大大提升渲染速率。
进一步地，步骤130中所述按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图具体包括如下步骤：
131、设置单次光线步进距离rl，累积步进dist，在光路[d1,d2]范围内对所述隐式椎体模型进行采样，当前采样点的世界坐标为sp，
sp＝ro+rd*dist；
132、将sp从世界坐标转换到单个椎体模型的局部坐标系。其中，单个椎体模型的世界坐标为cp，辐射半径为cr，辐射权重cw，利用sp.x输入拟合公式进行计算得出y，若y大于sp.z则认为采样点落在椎体模型内部，并进行颜色采样；若y小于sp.z则认为当前采样点采样失败，继续向下执行；输出各个采样点颜色，单个采样点颜色为Csp，color为基础色，其中，
133、对光路[d1,d2]范围内的所有单个采样点颜色Csp进行累加计算，得出当前像素最终颜色C，进而得到渲染椎状热图，其中颜色C如下：
进一步地，步骤130中所述按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图具体还包括如下步骤：
134、利用蓝噪声纹理进行降噪处理。其中，当光线步进单位rl过大，会得到断层的采样结果，但是如果光线步进单位rl过小又会加重渲染性能消耗。本发明中通过利用蓝噪声(bluenoise)纹理进行降噪处理，可以明显去除断层现象。
135、利用时域降噪方式TAA对蓝噪声进行平滑处理。通过利用时域降噪方式可以实现时域抗锯齿效果，进而对蓝噪声进行平滑处理，从而得到一个在性能和效果之间权衡的渲染处理方法。
进一步地，步骤130中所述按照设置的渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图具体还包括如下步骤：
136、对于采样点靠近多个椎体模型时，采用smax算法对数值进行平滑过渡。
本发明通过采用smax算法对数值进行平滑过渡，从而实现当一个采样点靠近多个椎体时可以实现多个椎体之间平滑过渡。假设采样点A的采样权重为a，采样点B的采样权重为b，则平滑后的权重为r，其中k＝-8(经验参数)：
r＝smax(a,b,k)＝pow(pow(a*b,k)/(pow(a,k)+pow(b,k)),1/k)。
本发明通过采用步骤136可以实现在两个或多个椎体间模拟出更平滑的几何体网格过渡，也可以体现数据之间的平滑过渡。
本发明还解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
如图3所示，一种无限视距椎状热图渲染的装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取热点数据信息与设置渲染状态，并将所述热点数据信息传递至GPU中；
剔除模块，用于利用光线检测与AABB包围盒的碰撞情况，并进行场景深度测试，剔除不参与采样计算的采样点；
渲染模块，用于按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图；
输出模块，用于将所述椎状热图与已有场景混合输出至显示器。
进一步地，所述获取模块包括：
设置模块，用于获取热点数据信息，设置降采样倍数与光线步进参数；
拟合模块，用于拟合隐式椎体模型，拟合公式为：
f(x)＝0.2555*pow(x,2.0)+2*cos(x)；
计算模块，用于利用拟合出的隐式椎体模型，结合所述热点数据信息计算每个光滑椎体的AABB。
本发明的无限视距椎状热图渲染的装置不再依赖建模过程，由于热图是体积渲染，为此可以将用户输入数据更好描述出来，不局限于在模型表面着色，可以精确表述三维空间中的密度数据。以及，本发明基于光线步进渲染方案，可以拥有无视场景尺寸的渲染能力，无需担心性能问题。
此外，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述技术方案中任一项所述的无限视距椎状热图渲染的方法中的步骤。
本发明还提供一种无限视距椎状热图渲染的设备，包括：处理器和存储器；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上述技术方案中任一项所述的无限视距椎状热图渲染的方法中的步骤。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，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单元中，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单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种无限视距椎状热图渲染的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
获取热点数据信息，设置渲染状态，并将所述热点数据信息传递至GPU中；
利用光线检测与AABB包围盒的碰撞情况，并进行场景深度测试，剔除不参与采样计算的采样点；
按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图；
将所述椎状热图与已有场景混合输出至显示器。
2.根据权利要求1所述的无限视距椎状热图渲染的方法，其特征在于，所述获取热点数据信息，设置渲染状态，并将所述热点数据信息传递至GPU中包括:
获取热点数据信息，设置降采样倍数与光线步进参数；
拟合隐式椎体模型，拟合公式为：f(x)＝0.2555*pow(x,2.0)+2*cos(x)；
利用拟合出的隐式椎体模型，结合所述热点数据信息计算每个光滑椎体的AABB。
3.根据权利要求2所述的无限视距椎状热图渲染的方法，其特征在于，所述利用光线检测与AABB包围盒的碰撞情况，并进行场景深度测试，剔除不参与采样计算的采样点包括：
计算光线起始位置ro和光线前进方向rd；
利用光线与AABB包围盒的碰撞情况，判断光线与AABB包围盒是否有交点，若有交点则当前光路需进行采样，同时记录出光线距离最小入点和最大触点的距离值，分别为d1和d2；若无交点则无需进行采样，并且不参与后续热图采样过程；
对通过RayAABB检测的采样点进行深度测试，若d1大于当前像素的场景深度，则直接剔除该采样点；若d2大于当前像素的场景深度，则更新d2为当前像素的场景深度。
4.根据权利要求3所述的无限视距椎状热图渲染的方法，其特征在于，所述按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图包括：
设置单次光线步进距离rl，累积步进dist，在光路[d1,d2]范围内对所述隐式椎体模型进行采样，当前采样点的世界坐标为sp，
sp＝ro+rd*dist；
将sp从世界坐标转换到单个椎体模型的局部坐标系，输出各个采样点颜色，单个采样点颜色为Csp，color为基础色，其中，
对光路[d1,d2]范围内的所有单个采样点颜色Csp进行累加计算，得出当前像素最终颜色C，进而得到渲染椎状热图，其中颜色C如下：
5.根据权利要求4所述的无限视距椎状热图渲染的方法，其特征在于，所述按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图还包括：
利用蓝噪声纹理进行降噪处理；
利用时域降噪方式对蓝噪声进行平滑处理。
6.根据权利要求5所述的无限视距椎状热图渲染的方法，其特征在于，所述按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图还包括：
对于采样点靠近多个椎体模型时，采用smax算法对数值进行平滑过渡。
7.一种无限视距椎状热图渲染的装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取热点数据信息与设置渲染状态，并将所述热点数据信息传递至GPU中；
剔除模块，用于利用光线检测与AABB包围盒的碰撞情况，并进行场景深度测试，剔除不参与采样计算的采样点；
渲染模块，用于按照设置的所述渲染状态结合隐式椎体模型进行步进采样颜色，输出当前像素最终颜色，得到渲染椎状热图；
输出模块，用于将所述椎状热图与已有场景混合输出至显示器。
8.根据权利要求7所述的无限视距椎状热图渲染的装置，其特征在于，所述获取模块包括：
设置模块，用于获取热点数据信息，设置降采样倍数与光线步进参数；
拟合模块，用于拟合隐式椎体模型，拟合公式为：
f(x)＝0.2555*pow(x,2.0)+2*cos(x)；
计算模块，用于利用拟合出的隐式椎体模型，结合所述热点数据信息计算每个光滑椎体的AABB。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-6中任一项所述的无限视距椎状热图渲染的方法中的步骤。
10.一种无限视距椎状热图渲染的设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的无限视距椎状热图渲染的方法中的步骤。
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| CN114972598A (zh) * | 2022-05-17 | 2022-08-30 | 北京优锘科技有限公司 | 三维场景中相机可视区域渲染方法、装置、介质和设备 |
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| CN112233220A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-15 | 洛阳众智软件科技股份有限公司 | 基于OpenSceneGraph的体积光生成方法、装置、设备和存储介质 |
| CN113178014A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-07-27 | 网易（杭州）网络有限公司 | 场景模型渲染方法、装置、电子设备和存储介质 |
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2021
- 2021-12-10 CN CN202111505750.0A patent/CN114170367B/zh active Active
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| CN114972598B (zh) * | 2022-05-17 | 2024-04-02 | 北京优锘科技有限公司 | 三维场景中相机可视区域渲染方法、装置、介质和设备 |
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