CN117221508A - 一种头显端立体倒影渲染方法 - Google Patents

一种头显端立体倒影渲染方法 Download PDF

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CN117221508A CN202311166538.5A CN202311166538A CN117221508A CN 117221508 A CN117221508 A CN 117221508A CN 202311166538 A CN202311166538 A CN 202311166538A CN 117221508 A CN117221508 A CN 117221508A
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Abstract

本发明公开了显影技术领域的一种头显端立体倒影渲染方法,包括下述步骤:S100:构造反射摄像机:判断场景中是否存在反射摄像机,若不存在反射摄像机,则进行添加。S200:暂存公共渲染参数:根据渲染需要暂存的公共渲染参数值到临时变量。S300:设置反射公共渲染参数:根据反射渲染效果需要进行参数设置。采用预先分别渲染左右两眼对应的摄像机反射内容,得到两个纹理后提供给需要反射的平面进行立体采样,从而得到能在头显设备中正确展示且立体感良好的倒影。支持各种形状及位置上需要添加反射效果的平面;可根据平面的效果需要设置需要显示出倒影的物体,从而提高渲染性能;可在渲染时添加不同的倒影特效从而逼近真实场景。

Description

一种头显端立体倒影渲染方法
技术领域
本发明涉及显影技术领域,具体是一种头显端立体倒影渲染方法。
背景技术
在使用头盔设备进行三维场景渲染时,为了达到逼真的渲染效果,在很多场景中需要对光滑的地面、水面、镜面等进行反射渲染,并达到双眼的立体效果。
当前主流的反射渲染方法是针对手机端或电脑端单屏幕的方式进行渲染,而头盔设备中的双眼立体渲染则存在空白,或直接搬手机端或电脑端的算法套用出现渲染错误,例如:闪动、没有立体感、头盔转动出现反射位移问题,因此,本申请提出一种头显端立体倒影渲染方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种头显端立体倒影渲染方法,本算法采用预处理的方式,先将倒影内容分别进行左右两眼渲染得到两个纹理,然后在平面模型渲染过程中对左右眼分别采样两个不同的反射纹理,然后与平面模型自身纹理数据进行计算得到最终的渲染效果,以解决上述背景技术中提出的当前主流的反射渲染方法是针对手机端或电脑端单屏幕的方式进行渲染,而头盔设备中的双眼立体渲染则存在空白,或直接搬手机端或电脑端的算法套用出现渲染错误,例如:闪动、没有立体感、头盔转动出现反射位移问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种头显端立体倒影渲染方法,包括下述步骤:
S100:构造反射摄像机:判断场景中是否存在反射摄像机,若不存在反射摄像机,则进行添加;
S200:暂存公共渲染参数:根据渲染需要暂存的公共渲染参数值到临时变量;
S300:设置反射公共渲染参数:根据反射渲染效果需要进行参数设置;
S400:创建两眼对应的反射纹理:判断如果场景中还未存在反射纹理,则创建反射纹理;
S500:设置反射相机渲染参数:根据反射平面位置和朝向信息,以及主摄像机的位置和朝向信息计算出反射矩阵,从而计算出反射摄像机的视图矩阵并赋值给反射摄像机;
S600:左眼渲染设置和纹理渲染:计算左眼的投影矩阵,然后将投影矩阵和渲染目标纹理设置到反射摄像机中,最后进行反射摄像机的渲染到纹理操作,得到左眼的反射纹理结果;
S700:右眼渲染设置和纹理渲染:计算右眼的投影矩阵,然后将投影矩阵和渲染目标纹理设置到反射摄像机中,最后进行反射摄像机的渲染到纹理操作,得到右眼的反射纹理结果;
S800:恢复公共渲染参数:将第二步暂存的公共渲染参数恢复为暂存的临变量的数值;
S900:镜面物体叠加反射渲染:镜面物体的渲染将在主摄像机的渲染流水线中进行。在其着色器中对左右两眼的反射纹理进行采样及混合等操作实现最终立体反射效果。
作为本发明进一步的方案:所述步骤S100中,其添加反射摄像机时的方法如下:在场景中添加一个新的游戏节点,在节点上添加摄像机组件,设置摄像机为停用状态;如果反射摄像机已经存在,则使用已经存在的反射摄像机。
作为本发明再进一步的方案:所述步骤S400中,设置双眼对应的反射纹理,其创建方法如下:根据全局摄像机渲染的画面大小及反射需要的精度参数计算反射纹理大小,然后创建指定大小的纹理资源,分别创建左右眼两个纹理资源。如果存在则使用存在的纹理。
作为本发明再进一步的方案:所述步骤S500中,根据主摄像机的渲染参数设置反射摄像机的渲染参数,设置反射摄像机的剔除掩码,以提高反射摄像机的渲染性能。
作为本发明再进一步的方案:所述步骤S600中,通过步骤S300中设置的公共渲染参数,摄像机渲染参数在步骤S500中进行了设置,在所述步骤S600中设置了投影矩阵和纹理参数后即完成了参数设置,最后进行反射摄像机的渲染到纹理操作,得到左眼的反射纹理结果。
作为本发明再进一步的方案:所述步骤S900中,镜面物体叠加反射渲染的渲染方法如下:将步骤S600和步骤S700中得到的左右眼两个反射纹理作为镜面物体渲染的参数,在着色器程序中,根据当前渲染的参数判断渲染的是左眼还是右眼,然后对应对反射纹理进行采样得到采样颜色值,最后与镜面本身纹理采样的颜色值进行混合得到最终反射效果。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、采用预先分别渲染左右两眼对应的摄像机反射内容,得到两个纹理后提供给需要反射的平面进行立体采样,从而得到能在头显设备中正确展示且立体感良好的倒影渲染。
2、支持各种形状及位置上需要添加反射效果的平面;可根据平面的效果需要设置需要显示出倒影的物体,从而提高渲染性能;可在渲染时添加不同的倒影特效从而逼近真实场景。
附图说明
图1为本发明一种头显端立体倒影渲染方法的方法流程结构示意图。
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,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施,且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类,并不限定对象的个数,例如第一对象可以是一个,也可以是多个。此外,说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一,字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解,例如,可以是固定相连、设置,也可以是可拆卸连接、设置,或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一:
以渲染引擎Unity及其URP渲染管线实现为例,场景中有一个主摄像机、3D空间场景和一个反射平面,请参阅图1,其整体的处理流程如下:
一种头显端立体倒影渲染方法,包括下述步骤:
S100:构造反射摄像机:判断场景中是否存在反射摄像机,若不存在反射摄像机,则进行添加;
S200:暂存公共渲染参数:根据渲染需要暂存的公共渲染参数值到临时变量;
S300:设置反射公共渲染参数:根据反射渲染效果需要进行参数设置;
S400:创建两眼对应的反射纹理:判断如果场景中还未存在反射纹理,则创建反射纹理;
S500:设置反射相机渲染参数:根据反射平面位置和朝向信息,以及主摄像机的位置和朝向信息计算出反射矩阵,从而计算出反射摄像机的视图矩阵并赋值给反射摄像机;
S600:左眼渲染设置和纹理渲染:计算左眼的投影矩阵,然后将投影矩阵和渲染目标纹理设置到反射摄像机中,最后进行反射摄像机的渲染到纹理操作,得到左眼的反射纹理结果;
S700:右眼渲染设置和纹理渲染:计算右眼的投影矩阵,然后将投影矩阵和渲染目标纹理设置到反射摄像机中,最后进行反射摄像机的渲染到纹理操作,得到右眼的反射纹理结果;
S800:恢复公共渲染参数:将第二步暂存的公共渲染参数恢复为暂存的临变量的数值;
S900:镜面物体叠加反射渲染:镜面物体的渲染将在主摄像机的渲染流水线中进行。在其着色器中对左右两眼的反射纹理进行采样及混合等操作实现最终立体反射效果。
其中:
步骤S100,构造反射摄像机:判断如果场景中还未存在反射摄像机,则进行添加,添加方法如下:在场景中添加一个新的游戏节点(GameObject),在节点上添加摄像机组件(Camera),设置摄像机为停用状态(相机渲染以编程方式嵌入到渲染流水线中,而不作为独立相机渲染,因此设置为停用状态);如果反射摄像机已经存在,则使用已经存在的反射摄像机。
步骤S200,暂存公共渲染参数:根据渲染需要暂存例如雾效、LOD级别、LodBias等公共渲染参数值到临时变量,以免在反射渲染后影响其他物体的正常效果渲染。
步骤S300,设置反射公共渲染参数:根据反射渲染效果需要进行参数设置,例如一般关闭雾效、设置LOD级别为一等。
步骤S400,创建两眼对应的反射纹理:判断如果场景中还未存在反射纹理,则创建反射纹理,创建方法如下:根据全局摄像机渲染的画面大小及反射需要的精度参数计算反射纹理大小,然后创建指定大小的纹理资源,分别创建左右眼两个纹理资源。如果存在则使用存在的纹理。
纹理资源参数包括宽、高、深度,计算公式如下:
宽度=主相机输出宽度*渲染缩放*反射缩放
int Width=(int)(camera.pixelWidth*randerScale*reflectScale);
高度=主相机输出高度*渲染缩放*反射缩放
int Height=(int)(camera.pixelHeight*randerScale*reflectScale);
深度=24
int Depth=24。
步骤S500,设置反射相机渲染参数:根据反射平面位置和朝向信息,以及主摄像机的位置和朝向信息计算出反射矩阵,从而计算出反射摄像机的视图矩阵并赋值给反射摄像机;根据主摄像机的渲染参数设置反射摄像机的渲染参数(包括视口宽高比、摄像机类型、清楚标识、视场角、相机深度、远裁剪平面、阴影渲染等);设置反射摄像机的剔除掩码(仅渲染需要在反射平面中出现的物体),以提高反射摄像机的渲染性能。
反射相机的视图矩阵计算方法:
步骤一:反射矩阵计算:根据平面(x,y,z,w)计算反射矩阵为
步骤二:反射摄像机的视图矩阵计算:
reflectCamera.worldToCameraMatrix
=mainCamera.worldToCameraMatrix*ReflectionMatrix
步骤S600,左眼渲染设置和纹理渲染:计算左眼的投影矩阵,然后将投影矩阵和渲染目标纹理设置到反射摄像机中(上面S300中设置了公共渲染参数,摄像机渲染参数在S500中进行了设置,在S600中设置了投影矩阵和纹理参数后即完成了参数设置),最后进行反射摄像机的渲染到纹理操作(渲染到纹理操作是Unity的URP引擎提供的渲染方法调用,调用后即可得到渲染结果),得到左眼的反射纹理结果。
左眼反射摄像机的投影矩阵计算方法如下:(斜投影矩阵)
其中:
步骤S700,右眼渲染设置和纹理渲染:计算右眼的投影矩阵,然后将投影矩阵和渲染目标纹理设置到反射摄像机中,最后进行反射摄像机的渲染到纹理操作,得到右眼的反射纹理结果。
右眼反射摄像机的投影矩阵计算方法如下:(斜投影矩阵)
其中:
步骤S800,恢复公共渲染参数:将第二步暂存的公共渲染参数恢复为暂存的临变量的数值。
步骤S900,镜面物体叠加反射渲染:镜面物体的渲染将在主摄像机的渲染流水线中进行。渲染方法如下:将第S600、S700两个步骤得到的左右眼两个反射纹理作为镜面物体渲染的参数,在他的着色器程序中,根据当前渲染的参数判断渲染的是左眼还是右眼,然后对应对反射纹理进行采样得到采样颜色值,最后与镜面本身纹理采样的颜色值进行混合得到最终反射效果。其中混合方式可以根据渲染需要进行设置,例如根据菲涅尔定律来计算混合的比率,也可以采用线性等方式计算。根据菲涅尔定律来计算混合的比率的计算公式如下:
当渲染为左眼时,像素颜色计算公式如下:
FragColor=lerp(baseColor,reflection*_ReflecctionInrensity,saturate(Fresnel))
其中:
FragColor为渲染的颜色值。
baseColor为平面原始材质采样值
reflectionl为采样左眼反射纹理得到的采样值
_Reflectionlntensity为反射强度参数,例如大理石地面取值为0.053
Fresnel为菲涅尔比率值
当渲染为右眼时,像素颜色计算公式如下:
FragColor=lerp(baseColor,reflection*_ReflecctionInrensity,saturate(Fresnel))
其中:
reflectionr为采样右眼反射纹理得到的采样值。
优选的,在本实施例中,经过多次渲染作业,并将渲染数据进行比对,得出如下结论,在步骤S500中,反射相机渲染参数设定需参照下表进行设置:
在本实施例中,对于下述名词进行解释:
反射:一种光学现象,分为漫反射和镜面反射。
镜面反射:光照射到表面平整的物体上,反射光有确定方向的反射,其反射角与入射角相等,且处在同一个平面内。
反射成像:光线经过平面反射后进入眼镜,即可观察到平面后面呈现出原始光线的物体。例如镜子、水面等呈现的效果。
菲涅尔反射:解释了反射光的强度、折射光的强度、相位与入射光的角度关系等。反射现象如:站在湖边,低头看脚下的水,你会发现水是透明的,反射不是特别强烈,而看远处的湖面,你会发现水并不是透明的,但反射非常强烈。
立体渲染:一种让人眼能感受到立体效果的渲染方式。在头盔显示设备中,为给予人眼立体效果,需要2个Camera(位置跟方向同人的眼睛一致)对同一个场景进行成像渲染。
摄像机:渲染中使用摄像机来确认3D场景中需要渲染出来的画面内容及一些渲染设置。3D场景中至少有一个摄像机,并根据需要将其中一个设置为主相机。
反射摄像机:用来辅助进行反射渲染的摄像机。
反射平面:展示出反射效果的平面,其为反射画面和本身材质效果叠加得到最终效果。
反射矩阵:将顶点变换到关于平面的对称点的变换矩阵
视图矩阵:将世界场景的坐标转化为视图(摄像机坐标)下坐标的变换矩阵,是光栅化渲染中物体位置变换中的一个变换矩阵。
纹理:存储渲染输入参数和或输出结果的数据资源,有分为一维,二维,三维纹理。通常使用最多为二维纹理,即二维数组形式存储RGB数据,也可以简单理解为一张图片。
渲染到纹理:将摄像机的渲染结果输出到指定的纹理上(一般机渲染直接输出到显示设备)
Un ity引擎:渲染引擎,引擎的一个场景中包含多个游戏节点,游戏节点支持嵌套结构。在游戏节点上课挂载摄像机、3D模型渲染器、脚本组件等物件。在渲染器中可关联材质以实现自定义渲染方法。
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外,需要指出的是,本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能,还可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,例如,可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法,并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外,参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述,但是本申请并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本申请的启示下,在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,均属于本申请的保护之内。

Claims (6)

1.一种头显端立体倒影渲染方法,其特征在于:包括下述步骤:
S100:构造反射摄像机:判断场景中是否存在反射摄像机,若不存在反射摄像机,则进行添加;
S200:暂存公共渲染参数:根据渲染需要暂存的公共渲染参数值到临时变量;
S300:设置反射公共渲染参数:根据反射渲染效果需要进行参数设置;
S400:创建两眼对应的反射纹理:判断如果场景中还未存在反射纹理,则创建反射纹理;
S500:设置反射相机渲染参数:根据反射平面位置和朝向信息,以及主摄像机的位置和朝向信息计算出反射矩阵,从而计算出反射摄像机的视图矩阵并赋值给反射摄像机;
S600:左眼渲染设置和纹理渲染:计算左眼的投影矩阵,然后将投影矩阵和渲染目标纹理设置到反射摄像机中,最后进行反射摄像机的渲染到纹理操作,得到左眼的反射纹理结果;
S700:右眼渲染设置和纹理渲染:计算右眼的投影矩阵,然后将投影矩阵和渲染目标纹理设置到反射摄像机中,最后进行反射摄像机的渲染到纹理操作,得到右眼的反射纹理结果;
S800:恢复公共渲染参数:将第二步暂存的公共渲染参数恢复为暂存的临变量的数值;
S900:镜面物体叠加反射渲染:镜面物体的渲染将在主摄像机的渲染流水线中进行。在其着色器中对左右两眼的反射纹理进行采样及混合等操作实现最终立体反射效果。
2.根据权利要求1所述的一种头显端立体倒影渲染方法,其特征在于:所述步骤S100中,其添加反射摄像机时的方法如下:在场景中添加一个新的游戏节点,在节点上添加摄像机组件,设置摄像机为停用状态;如果反射摄像机已经存在,则使用已经存在的反射摄像机。
3.根据权利要求1所述的一种头显端立体倒影渲染方法,其特征在于:所述步骤S400中,设置双眼对应的反射纹理,其创建方法如下:根据全局摄像机渲染的画面大小及反射需要的精度参数计算反射纹理大小,然后创建指定大小的纹理资源,分别创建左右眼两个纹理资源。如果存在则使用存在的纹理。
4.根据权利要求1所述的一种头显端立体倒影渲染方法,其特征在于:所述步骤S500中,根据主摄像机的渲染参数设置反射摄像机的渲染参数,设置反射摄像机的剔除掩码,以提高反射摄像机的渲染性能。
5.根据权利要求1所述的一种头显端立体倒影渲染方法,其特征在于:所述步骤S600中,通过步骤S300中设置的公共渲染参数,摄像机渲染参数在步骤S500中进行了设置,在所述步骤S600中设置了投影矩阵和纹理参数后即完成了参数设置,最后进行反射摄像机的渲染到纹理操作,得到左眼的反射纹理结果。
6.根据权利要求1所述的一种头显端立体倒影渲染方法,其特征在于:所述步骤S900中,镜面物体叠加反射渲染的渲染方法如下:将步骤S600和步骤S700中得到的左右眼两个反射纹理作为镜面物体渲染的参数,在着色器程序中,根据当前渲染的参数判断渲染的是左眼还是右眼,然后对应对反射纹理进行采样得到采样颜色值,最后与镜面本身纹理采样的颜色值进行混合得到最终反射效果。
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