CN115471598A

CN115471598A - 一种动态水面渲染方法、装置及设备

Info

Publication number: CN115471598A
Application number: CN202211176758.1A
Authority: CN
Inventors: 张伟; 孙锐; 张群威; 车登科; 田俊; 金光辉; 杨小华; 潘雅静; 曹亚杰; 雷军龙
Original assignee: Hubei Ruijie Information Integration Co ltd
Current assignee: Arsc Underground Space Technology Development Co ltd
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2022-12-13

Abstract

本申请涉及计算机图形处理技术领域，具体而言，涉及一种动态水面渲染方法、装置及设备，一定程度上可以解决的减少三维渲染的计算时间问题。所述方法包括：编写效果文件，其中，效果文件同时包括顶点着色器和像素着色器；构建水面模型数据，对水面模型数据进行数据预处理，获取处理后的水面模型数据；加载处理后的水面模型数据，解析处理后的水面模型数据的内部结构，并获取处理后的水面模型的三角网坐标以及纹理；加载与水面模型数据相对应的效果文件，创建渲染设备，对处理后的水面模型数据进行动态渲染。

Description

一种动态水面渲染方法、装置及设备

技术领域

本申请涉及计算机图形处理技术领域，具体而言，涉及一种动态水面渲染方法、装置及设备。

背景技术

在现实世界中，水体的运动无处不在，如河水的流动，海浪的运动。在计算机当中模拟水面效果，实际上是把水体的运动数据在计算机空间中数字化。它与真实感模拟的需求密不可分。GPU是能够从硬件上支持多边形转换与光源处理的图像显示硬件。目前在GPU上进行的主要运算包括光照计算、深度检测、光栅化、反走样等。由于GPU采用的是单指令多数据的处理器设计模式，而且它不需要进行内存管理、对系统的输入输出作出响应等，所以它在图形处理方面的性能远远大于CPU。

在一些GPU对水面进行渲染的过程中，渲染过程包括两个可编程例程，一个是顶点着色器，另一个是片段着色器。在顶点着色器例程中，GPU载入每个顶点的位置、颜色、纹理坐标等属性，经过一系列的处理，最后输出变换后的顶点数据，还有一些纹理贴图坐标，这些数据作为片段着色器的输入，在片段着色器中，主要进行纹理的采样，最后输出该顶点的颜色。

然而，由于直接通过对载入GPU中的每个顶点进行渲染处理，渲染的效率比较低，进而导致渲染过程耗时较长，且花费的费用较高。

发明内容

为了解决渲染过程耗时较长，且花费的费用较高的问题，本申请提供了一种动态水面渲染方法、装置及设备。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例的第一方面提供一种动态水面渲染方法，所述方法包括：

编写效果文件，其中，效果文件同时包括顶点着色器和像素着色器；

构建水面模型数据，对水面模型数据进行数据预处理，获取处理后的水面模型数据；

加载处理后的水面模型数据，解析处理后的水面模型数据的内部结构，并获取处理后的水面模型的三角网坐标以及纹理；

加载与水面模型数据相对应的效果文件，创建渲染设备，对处理后的水面模型数据进行动态渲染。

在一些实施例中，在编写效果文件的过程中，所述方法包括：

声明效果文件的全局位置，其中，全局位置包括摄像机位置、视角投影矩阵、视角矩阵、顶点投影矩阵、世界位置矩阵、反射视角矩阵、反射投影矩阵；

声明效果文件中的全局纹理采样器，其中，全局纹理采样器获取的效果文件的数据包括凹凸纹理、折射纹理和反射纹理；

声明效果文件的全局水面效果参数，其中，全局水面效果参数包括波纹时间参数、法向量、切向量、波浪大小及水面颜色；

编写顶点着色器程式，基于顶点坐标信息数据，获取经过坐标变换后的顶点信息；

编写像素着色器程式，基于顶点着色器程式获取的顶点信息，获取顶点最终呈现出的顶点颜色。

在一些实施例中，在编写顶点着色器程式的过程中，所述方法包括：

输入顶点信息数据，顶点信息数据包括顶点坐标位置和UV坐标；

进行坐标系变换，获取坐标系变换后的顶点信息；

输出坐标系变换后的顶点信息。

在一些实施例中，在获取坐标系变换后的顶点信息的过程中，顶点信息包括：

基于输入的顶点坐标与视角投影变换矩阵以及世界位置矩阵，实现顶点局部坐标到世界坐标的转换，并获得顶点的折射向量；

基于波纹时间参数与波纹大小，计算出水面的纹理坐标，以及波纹动态起伏时的各时间间隔的纹理坐标；

基于顶点位置与反射视角投影变换矩阵以及世界坐标矩阵，计算获得顶点的反射向量。

在一些实施例中，在编写像素着色器程式的过程中，所述方法包括：

输入经过顶点着色器计算后获得的顶点信息；

基于全局纹理采样器，对水面凹凸纹理进行采样，从而获取采样纹理，并获得反射凹凸纹理与折射凹凸纹理；

将获得的反射凹凸纹理和折射凹凸纹理结合反射向量和折射向量，计算出反射颜色和折射颜色；

将反射颜色、折射颜色与水面颜色进行合并计算，获得并输出最终的顶点颜色。

在一些实施例中，在获取处理后的水面模型数据的步骤之后，所述方法包括：

在三维可视化系统中加载处理后的水面模型数据，并解析水面模型数据的内部结构，获取模型的三角网坐标及纹理；

在三维可视化系统中加载水面模型数据对应的效果文件，创建渲染设备，通过渲染设备对水面进行渲染。

在一些实施例中，在对处理后的水面模型数据进行动态渲染的过程中，所述方法包括：

创建水面折射纹理；

创建水面反射纹理；

设置波纹时间参数、水面波纹凹凸纹理、水面波纹大小及水面颜色；

设置水面折射纹理与水面反射纹理；

获取效果文件，设置水面渲染函数的输入参数；

调用水面渲染效果函数，调用渲染设备，对解析后的水面模型的顶点、三角网进行渲染绘制。

在一些实施例中，在创建水面反射纹理的步骤中，所述方法包括：

计算投影矩阵，设置水面裁剪面；

其中，当摄像机高度小于400米时，创建对其他物体的反射效果；否则，只创建对天空的反射效果；其他物体包括地上建筑、地面建筑、倾斜摄影、地形等其他地物；

设置视点位置矩阵，裁切矩阵和投影矩阵。

本申请实施例的第二方面提供一种动态水面渲染装置，包括：

第一输入单元，用于接收编写获得的效果文件，其中，效果文件同时包括顶点着色器和像素着色器；

第二输入单元，用于接收构建后的水面模型数据，对水面模型数据进行数据预处理，获取处理后的水面模型数据；

预处理单元，用于加载处理后的水面模型数据，解析处理后的水面模型数据的内部结构，并获取处理后的水面模型的三角网坐标以及纹理；

渲染转化单元，加载与水面模型数据相对应的效果文件，创建渲染设备，对处理后的水面模型数据进行动态渲染。

本申请实施例的第三方面提供一种动态水面渲染设备，其特征在于，所述动态水面渲染设备包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述技术方案中所述的动态水面渲染方法的步骤。

本申请的有益效果；通过对水面模型数据进行预处理，从而减少解析水面模型数据内部结构占用的时间，进而缩短整个渲染过程花费的时间，可以实现减少三维渲染的计算成本的目的；进一步通过编写携带有顶点着色器和像素着色器的FX效果文件，从而实现水面三维动态的波纹效果以及水环境的倒影反射折射效果，可实现增加水面渲染效果的真实感的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例的动态水面渲染方法的流程图；

图2为本申请另一实施例的动态水面渲染方法中编写FX效果文件过程的流程图；

图3为本申请另一实施例的动态水面渲染方法中编写顶点着色器程式的流程图；

图4为本申请另一实施例的动态水面渲染方法中编写像素着色器程式的流程图；

图5为本申请另一实施例的动态水面渲染方法中对水面模型进行渲染的流程图；

图6为本申请一实施例的动态水面渲染装置的结构图。

具体实施方式

为使本申请的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。

本申请中说明书和权利要求书及上述附图中的术语″第一″、″第二″、″第三″等是用于区别类似或同类的对象或实体，而不必然意味着限定特定的顺序或先后次序，除非另外注明。应该理解这样使用的用语在适当情况下可以互换。

术语″包括″和″具有″以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的所有组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。

如图1所示。图1为本申请一实施例的动态水面渲染方法的流程图。

在一些实施例中，本申请所提供的一种动态水面渲染方法，包括：使用HLSL语言编写基于DirectX Shader的FX效果文件water.fx，其中，FX效果文件water.fx中同时包括顶点着色器和像素着色器；构建水面模型数据，水面模型可以使用软件3Dma×进行构建，并导出形成模型文件(.usw格式)，再使用模型处理工具对水面模型数据进行数据预处理，获取处理后的水面模型数据；加载处理后的水面模型数据，解析处理后的水面模型数据的内部结构，并获取处理后的水面模型的三角网坐标以及纹理；加载FX效果文件water.fx，创建渲染设备，对处理后的水面模型数据进行动态渲染；其中，FX效果文件water.fx与水面模型数据相对应。

通过对水面模型数据进行预处理，从而减少解析水面模型数据内部结构占用的时间，进而缩短整个渲染过程花费的时间，可以实现减少三维渲染的计算成本的目的；进一步通过编写携带有顶点着色器和像素着色器的FX效果文件，从而实现水面三维动态的波纹效果以及水环境的倒影反射折射效果，可实现增加水面渲染效果的真实感的效果。

如图2所示。图2为本申请另一实施例的动态水面渲染方法中编写FX效果文件过程的流程图。

在一些实施例中，在使用HLSL语言编写基于DirectX Shader的FX效果文件water.fx的过程中，方法包括：声明FX效果文件water.fx的全局位置，其中，全局位置包括摄像机位置、视角投影矩阵、视角矩阵、顶点投影矩阵、世界位置矩阵、反射视角矩阵和反射投影矩阵，其中摄像机位置的参数类型设置为float4，其余参数类型均设置为float4x4。

声明FX效果文件water.fx中的全局纹理采样器，其中，全局纹理采样器获取的FX效果文件的数据包括凹凸纹理、折射纹理和反射纹理；设置凹凸纹理的过滤方式为LINEAR，线性过滤，采样方式为Wrap，UV平铺；设置折射纹理和反射纹理的过滤方式为LINEAR，线性过滤，采样方式为CLAMP，UV直贴。

声明FX效果文件water.fx的全局水面效果参数，其中，全局水面效果参数包括波纹时间参数、法向量、切向量、波浪大小及水面颜色；其中波浪大小参数类型为float，其余参数类型设置为float4。

编写顶点着色器程式，基于顶点坐标信息数据，获取经过坐标变换后的顶点信息；编写像素着色器程式，基于顶点着色器程式获取的顶点信息，获取顶点最终呈现出的顶点颜色。

通过声明FX效果文件water.fx的全局位置、全局纹理采样器以及全局水面效果参数，从而获取到用于与水面模型数据相匹配的动态水面效果文件，进一步通过设置顶点着色器和像素着色器，实现动态水面效果更加的真实，可实现提高动态水面效果的真实性的效果。

如图3所示，图3为本申请另一实施例的动态水面渲染方法中编写顶点着色器程式的流程图。

在一些实施例中，在编写顶点着色器程式的过程中，方法具体包括：输入顶点信息数据，顶点信息数据包括顶点坐标位置和UV坐标；进行坐标系变换，获取坐标系变换后的顶点信息；输出坐标系变换后的顶点信息。

在一些实施例中，在获取坐标系变换后的顶点信息的过程中，顶点信息包括顶点的折射向量和反射向量，以及水面的纹理坐标、波纹动态起伏时的各时间间隔的纹理坐标；顶点的折射向量为基于输入的顶点坐标、视角投影变换矩阵以及世界位置矩阵，从而实现顶点局部坐标到世界坐标的转换，进而计算得到的；水面的纹理坐标和波纹动态起伏时的各时间间隔的纹理坐标是基于波纹时间参数与波纹大小经过计算获得的；顶点的反射向量为基于顶点位置与反射视角投影变换矩阵以及世界坐标矩阵计算得到的。

如图4所示，图4为本申请另一实施例的动态水面渲染方法中编写像素着色器程式的流程图。

在一些实施例中，为了方便呈现出顶点处显示的颜色，需要进行像素着色器程式的编写，方法包括：接收经过顶点着色器计算后生成的顶点信息，根据设定形成的采样器，并使用GPU提供的tex2D采样函数，对水面的凹凸纹理进行采样，从而获得采样纹理，进一步计算获得反射凹凸纹理和折射凹凸纹理；将反射凹凸纹理、折射凹凸纹理与反射向量、折射向量相结合，计算获得反射和折射的颜色；通过将反射颜色、折射颜色与水面颜色按照纹理融合因子进行合并计算，获得最终呈现出的顶点颜色；最后输出最终呈现出的顶点颜色。

在一些实施例中，在获取处理后的水面模型数据的步骤之后，在三维可视化系统中加载经过顶点着色器处理的水面模型数据，并解析水面模型数据的内部结构，获取水面模型数据的三角网坐标及纹理；在三维可视化系统中加载水面模型数据对应的FX效果文件water.fx，创建渲染设备，通过渲染设备对水面进行渲染。

如图5所示，图5为本申请另一实施例的动态水面渲染方法中对水面模型进行渲染的流程图。

在一些实施例中，在对处理后的水面模型数据进行动态渲染的过程中，方法包括：创建水面折射纹理；创建水面反射纹理；设置波纹时间参数、水面波纹凹凸纹理、水面波纹大小及水面颜色；设定创建形成的水面折射纹理与水面反射纹理；设置渲染设备渲染状态的参数，在渲染状态的参数的过程中，完全禁用背面消隐，对三角形不做任何剔除，启用深度测试。

获取FX效果文件water.fx，设置水面渲染函数的输入参数，水面渲染函数的输入参数包括水面的法向量和切向量、设置相机视角位置、视点变换矩阵、投影矩阵以及世界变换矩阵；开始调用水面渲染效果函数，水面渲染效果函数包括顶点着色器函数与像素着色器函数；调用渲染设备，使用DirectX程序接口，对解析后水面模型的顶点、三角网进行渲染绘制；最后获得水面模型完成动态渲染的效果，结束渲染过程。

在一些实施例中，在创建水面反射纹理的步骤中，所述方法包括：计算投影矩阵，设置水面裁剪面；其中，当设定的摄像机高度小于400米时，创建对其他物体的反射效果；否则，只创建对天空的反射效果；其他物体包括地上建筑、地面建筑、倾斜摄影、地形等其他地物；设置视点位置矩阵，裁切矩阵和投影矩阵。

如图6所示，图6为本申请一实施例的动态水面渲染装置的结构图。

在一些实施例中，基于上述技术方案中所述的动态水面渲染方法，本申请还公开了一种动态水面渲染装置，动态渲染水面装置包括第一输入单元、第二输入单元、预处理单元和渲染转化单元，第一输入单元用于接收通过HLSL语言编写得到的基于DirectX Shader的FX效果文件，其中，FX效果文件中同时包括顶点着色器和像素着色器。

第二输入单元设置为用于接收构建形成的水面模型数据，并对水面模型数据进行数据预处理，输出经过预处理的水面模型数据；预处理单元设置为用于加载处理后的水面模型数据，解析处理后的水面模型数据的内部结构，并获取处理后的水面模型的三角网坐标以及水面纹理；渲染转化单元设置为用于加载与输入的水面模型数据相对应的FX效果文件，同时创建渲染设备，并对处理后的水面模型数据进行动态渲染，最终获取得到较为真实的动态水面效果。

在一些实施例中，基于上述技术方案中公开的动态水面渲染方法，本申请还公开了一种动态水面渲染设备，其包括至少一个处理器以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行上述技术方案中的动态水面渲染方法的步骤，最终获取得到渲染效果较为真实的动态水面，提高动态水面渲染的真实性。

本部分实施例的有益效果在于，通过对水面模型数据进行预处理，从而减少解析水面模型数据内部结构占用的时间，进而缩短整个渲染过程花费的时间，可以实现减少三维渲染的计算成本的目的；进一步通过编写携带有顶点着色器和像素着色器的FX效果文件，从而实现水面三维动态的波纹效果以及水环境的倒影反射折射效果，可实现增加水面渲染效果的真实感的效果。

为了方便解释，已经结合具体的实施方式进行了上述说明。但是，上述在一些实施例中讨论不是意图穷尽或者将实施方式限定到上述公开的具体形式。根据上述的教导，可以得到多种修改和变形。上述实施方式的选择和描述是为了更好的解释原理以及实际的应用，从而使得本领域技术人员更好的使用实施方式以及适于具体使用考虑的各种不同的变形的实施方式。

Claims

1.一种动态水面渲染方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如权利要求1所述动态水面渲染方法，其特征在于，在编写效果文件的过程中，所述方法包括：

声明效果文件的全局纹理采样器，其中，全局纹理采样器获取的效果文件的数据包括凹凸纹理、折射纹理和反射纹理；

3.如权利要求2所述动态水面渲染方法，其特征在于，在编写顶点着色器程式的过程中，所述方法包括：

进行坐标系变换，获取坐标系变换后的顶点信息；

输出坐标系变换后的顶点信息。

4.如权利要求3所述动态水面渲染方法，其特征在于，在获取坐标系变换后的顶点信息的过程中，顶点信息包括：

5.如权利要求2所述动态水面渲染方法，其特征在于，在编写像素着色器程式的过程中，所述方法包括：

输入经过顶点着色器计算后获得的顶点信息；

6.如权利要求1所述动态水面渲染方法，其特征在于，在获取处理后的水面模型数据的步骤之后，所述方法包括：

7.如权利要求1所述动态水面渲染方法，其特征在于，在对处理后的水面模型数据进行动态渲染的过程中，所述方法包括：

创建水面折射纹理；

创建水面反射纹理；

设置水面折射纹理与水面反射纹理；

获取效果文件，设置水面渲染函数的输入参数；

8.如权利要求6所述动态水面渲染方法，其特征在于，在创建水面反射纹理的步骤中，所述方法包括：

计算投影矩阵，设置水面裁剪面；

设置视点位置矩阵，裁切矩阵和投影矩阵。

9.一种动态水面渲染装置，其特征在于，包括：

10.一种动态水面渲染设备，其特征在于，所述动态水面渲染设备包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1至8中任一项所述的动态水面渲染方法的步骤。