CN117333598B - 一种基于数字场景的3d模型渲染系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字场景的3D模型渲染系统及方法，属于模型渲染技术领域，其方法具体包括：获取为数字场景制作的3D模型实体的模型数据，为3D模型分配材质和纹理，模拟表面的外观和质地，建立光照模型，利用渲染策略，对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染，最终的数字场景3D模型渲染结果，并展示在屏幕中，通过光照模型和渲染策略，有效地节省渲染所需计算资源和时间，加快数字场景3D模型渲染速度，极大地提高了用户体验。
Description
技术领域
本发明属于模型渲染技术领域，具体的说是一种基于数字场景的3D模型渲染系统及方法。
背景技术
3D模型也称三维模型、立体模型，包括各种建筑、人物、植被、机械等。3D模型可以在网页中以立体方式交互展示，给观众带来更强的视觉效果。
三维可视化系统的研究一直以来是虚拟现实、数字场景等领域的研究重点。三维场景中大规模数据的展示已经成为三维应用开发中必须要解决的问题。对于三维场景中的大规模数据，不可能一次性将所有的场景数据都加载到内存中。虽然可以通过设置摄像机远裁剪面的距离来对场景的加载进行一些优化，但是在大场景的3D模拟中，场景视角会比较大，加载到三维场景中的数据量很大，渲染效率会下降。
如申请公开号为CN116630503A的中国专利公开了一种数字场景3D模型渲染系统及方法，涉及模型渲染技术领域。所述方法是先针对各个3D模型实体，基于WebGL封装得到对应的渲染模块，然后将所有渲染模块封装为渲染用js文件，再然后基于当前摄像机位置及视角和实体位置，确定当前待渲染的目标3D模型实体，再然后对目标3D模型实体进行相对摄像机的由近及远排序，以及基于排序结果判断在当前摄像机视角下相对在前实体是否会完全遮挡相对在后实体，并在会时直接将空白图像作为相对在后实体的渲染图像，最后按照从后至前顺序依次叠加在实体序列中的各个3D模型实体的渲染图像，得到最终的数字场景3D模型渲染结果，如此可加快数字场景3D模型渲染速度，利于提升用户体验。
如授权公告号为CN104966312B的中国专利公开了一种3D模型的渲染方法、装置及终端设备，其中方法包括：在硬件模拟的漫反射光照条件下，计算3D模型表面各顶点的光向量和法线向量的点积运算结果，将各顶点的点积运算结果转换为对应UV坐标值，然后根据预设的UV坐标值与3D模型基本纹理受光后颜色值之间的对应关系，绘制渐具有所述各顶点的UV坐标值所对应的颜色值的变贴图，将所述渐变贴图覆盖在所述3D模型的表面。该申请提供的渲染方法，将传统的在三维模型中进行着色处理的过程转移到二维平面中绘制渐变贴图，然后将绘制的渐变贴图再覆盖到3D模型上，处理过程更加简单，也降低了对执行3D模型渲染过程的电子设备的性能要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于数字场景的3D模型渲染系统及方法，获取为数字场景制作的3D模型实体的模型数据，为3D模型分配材质和纹理，模拟表面的外观和质地，建立光照模型，利用渲染策略，对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染，最终的数字场景3D模型渲染结果，并展示在屏幕中，通过光照模型和渲染策略，有效地节省渲染所需计算资源和时间，加快数字场景3D模型渲染速度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于数字场景的3D模型渲染方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤S1：获取为数字场景制作的3D模型实体的模型数据；
步骤S2：为3D模型分配材质和纹理，模拟表面的外观和质地；
步骤S3：建立光照模型，利用渲染策略，对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染；
步骤S4：最终的数字场景3D模型渲染结果，并展示在屏幕中。
具体的，所述材质和纹理包括：颜色、纹理映射、法线贴图。
具体的，所述步骤S3的具体方法为：
步骤S301：计算人眼所能看到从物体表面反射的环境光的亮度，计算公式为：Ihj＝KaIa，其中，Ihj表示存储结果，即人眼所能看到从3D模型表面反射的环境光的亮度，Ka表示3D模型表面对环境光的反射率，Ia表示入射环境光的亮度；
步骤S302：计算3D模型中任意一点A的漫反射亮度，计算公式为：Imfs＝KdIm cosθ，其中，Imfs表示A点的漫反射光亮度，Kd表示环境光反射系数，Im表示入射光源的光强度，θ表示光线的入射线与反射线的夹角；
步骤S303：计算3D模型中任意一点A的镜面反射亮度，计算公式为：Is＝KsImmax(0,n×h))b，其中，Is表示A点的镜面光强度，Ks表示镜面反射系数，b表示镜面反射指数，为常数，n表示与光线的入射线方向矢量L和反射线方向矢量R的单位中值矢量，h表示光线的入射线方向矢量L和视线方向矢量S的单位中值矢量，
步骤S304：根据光照模型，得到3D模型中任意一点A的亮度为I，I＝Ihj+Imfs+Is；
步骤S305：利用渲染策略，对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染。
具体的，所述步骤S305中的渲染策略，具体步骤包括：
步骤S3051：将3D模型划分为6个平面，分别为：主视面、后视面、左视面、右视面、俯视面、仰视面；
步骤S3052：计算主视面每个点的冗余程度，计算公式为：ri＝ui×pi×min(ρi)，其中，ri表示主视面中第i个点的冗余程度，ui表示点i附近的点云进行主成分分析后的前两个主成分占比之和，pi是点i邻近点的密度，min(ρi)表示包含点i的视面里的点i邻近点的密度；
步骤S3053：设定冗余程度阈值为r，删除冗余程度ri大于r的点，并生成稀疏数量的点云，并利用三角形分割法将稀疏数量的点云分割为三角形块；
步骤S3054：计算每个三角形块的投影面积，计算公式为：其中，Sj表示第j个三角形块的投影面积，aj表示第j个三角形的底边长度，hj表示第j个三角形底边的高；
步骤S3055：对三角形渲染进行约束，渲染约束条件为：
其中，YS表示渲染约束条件，Sp表示第p个三角形块的投影面积，Sq∈Sp表示第p个三角形块包含了第q个三角形块，∧表示且运算，Scd表示第p个三角形块和第q个三角形块相交的投影面积，Sp+Sq-Scd表示第p个三角形块和第q个三角形块相交时的总投影面积，Sq∪Sp表示第p个三角形块和第q个三角形块相交。
一种基于数字场景的3D模型渲染系统，包括：3D模型获取模块，材质和纹理分配模块，渲染模块，显示模块；
所述3D模型获取模块，用于获取为数字场景制作的3D模型实体的模型数据；
所述材质和纹理分配模块，用于为3D模型实体分配材质和纹理，包括颜色、纹理映射、法线贴图；
所述渲染模块，用于对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染；
所述显示模块，用于在屏幕上展示渲染后的3D模型。
具体的，所述渲染模块包括：光照模型单元和渲染单元，
所述光照模型单元，用于建立3D模型的光照模型，计算反射亮度、漫反射亮度和镜面反射亮度；
所述渲染单元，用于利用渲染策略，对3D模型进行渲染。
具体的，所述显示模块包括显示屏，用于展示渲染后的3D模型。
一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种基于数字场景的3D模型渲染方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，当计算机指令运行时执行一种基于数字场景的3D模型渲染方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提出一种基于数字场景的3D模型渲染系统，并进行了架构、运行步骤和流程上的优化改进，系统具备流程简单，投资运行费用低廉，生产工作成本低的优点。
2.本发明提出一种基于数字场景的3D模型渲染方法，获取为数字场景制作的3D模型实体的模型数据，为3D模型分配材质和纹理，模拟表面的外观和质地，建立光照模型，利用渲染策略，对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染，最终的数字场景3D模型渲染结果，并展示在屏幕中，通过光照模型和渲染策略，有效地节省渲染所需计算资源和时间，加快数字场景3D模型渲染速度，极大地提高了用户体验。
附图说明
图1为本发明一种基于数字场景的3D模型渲染方法流程图；
图2为本发明一种基于数字场景的3D模型渲染方法光照模型图；
图3为本发明一种基于数字场景的3D模型渲染系统架构图；
图4为本发明一种基于数字场景的3D模型渲染方法的电子设备图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“一号”、“二号”、“三号”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
请参阅图1-2，本发明提供的一种实施例：一种基于数字场景的3D模型渲染方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤S1：获取为数字场景制作的3D模型实体的模型数据；
步骤S2：为3D模型分配材质和纹理，模拟表面的外观和质地；
步骤S3：建立光照模型，利用渲染策略，对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染；
步骤S4：最终的数字场景3D模型渲染结果，并展示在屏幕中。
材质和纹理包括：颜色、纹理映射、法线贴图。
在Blender工具中，3D模型侧面贴图处理流程如下：1)新建一个名称为侧面的材质；2)进入编辑模式，通过特征选取工具，按照侧面特征选取场景中所有3D模型的侧面；3)通过柱面投影，进行所有3D模型侧面的UV映射；4)通过楼层高度和贴图的大小，计算UV位置及缩放比例；5)给选中的建3D模型侧面指定侧面材质。
步骤S3的具体方法为：
步骤S301：计算人眼所能看到从物体表面反射的环境光的亮度，计算公式为：Ihj＝KaIa，其中，Ihj表示存储结果，即人眼所能看到从3D模型表面反射的环境光的亮度，Ka表示3D模型表面对环境光的反射率，Ia表示入射环境光的亮度；
步骤S302：计算3D模型中任意一点A的漫反射亮度，计算公式为：Imfs＝KdIm cosθ，其中，Imfs表示A点的漫反射光亮度，Kd表示环境光反射系数，Im表示入射光源的光强度，θ表示光线的入射线与反射线的夹角；
步骤S303：计算3D模型中任意一点A的镜面反射亮度，计算公式为：Is＝KsImmax(0,n×h))b，其中，Is表示A点的镜面光强度，Ks表示镜面反射系数，b表示镜面反射指数，为常数，n表示与光线的入射线方向矢量L和反射线方向矢量R的单位中值矢量，h表示光线的入射线方向矢量L和视线方向矢量S的单位中值矢量，
步骤S304：根据光照模型，得到3D模型中任意一点A的亮度为I，I＝Ihj+Imfs+Is；
步骤S305：利用渲染策略，对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染。
光照模型就是确定物体上每一点或屏幕上每一像素出的几何信息如何与光进行交互，生成每一点的光强度或明暗色调或者是颜色。
步骤S305中的渲染策略，具体步骤包括：
步骤S3051：将3D模型划分为6个平面，分别为：主视面、后视面、左视面、右视面、俯视面、仰视面；
3D模型还包括西北视面、东北视面和东南视面，划分为6个平面而不是9个平面的原因是：6个平面之间的重叠区域只有邻边，没有实质性的面的重合，9个平面之间的重叠区域较多，多个面之间重叠复杂，在进行计算冗余程度时，无疑会增大计算量，并且在计算重复三角形区域时，也会增大工作量，导致计算速度变慢，同时精度也不会提高。
步骤S3052：计算主视面每个点的冗余程度，计算公式为：ri＝ui×pi×min(ρi)，其中，ri表示主视面中第i个点的冗余程度，ui表示点i附近的点云进行主成分分析后的前两个主成分占比之和，pi是点i邻近点的密度，min(ρi)表示包含点i的视面里的点i邻近点的密度；
步骤S3053：设定冗余程度阈值为r，删除冗余程度ri大于r的点，并生成稀疏数量的点云，并利用三角形分割法将稀疏数量的点云分割为三角形块；
步骤S3054：计算每个三角形块的投影面积，计算公式为：其中，Sj表示第j个三角形块的投影面积，aj表示第j个三角形的底边长度，hj表示第j个三角形底边的高；
步骤S3055：对三角形渲染进行约束，渲染约束条件为：
其中，YS表示渲染约束条件，Sp表示第p个三角形块的投影面积，Sq∈Sp表示第p个三角形块包含了第q个三角形块，∧表示且运算，Scd表示第p个三角形块和第q个三角形块相交的投影面积，Sp+Sq-Scd表示第p个三角形块和第q个三角形块相交时的总投影面积，Sq∪Sp表示第p个三角形块和第q个三角形块相交。
遮挡剔除(0cclusionCulling)是确定一个特定的视空间内，网格的哪些部分可见，哪些部分不可见的过程。遮挡剔除算法就是通过剔除不可见物体优化和加速渲染过程。在GPU中，通过渲染管道的屏幕空间裁剪和深度测试能够进行遮挡剔除。这也是遮挡剔除最后的最精细的步骤，精确到了每个渲染出的像素。但是，大量的显然不可见的渲染数据在GPU渲染的过程中还是进行了绝大部分的渲染操作，这些无用的渲染过程将会使得GPU的计算性能成为瓶颈。
常见的CPU中使用的遮挡剔除方法有BSP，Octree，QuadTree，kd-tree，PVS，ProtalRendering等。在GPU中，常见的遮挡剔除策略有背面剔除，G-Buffer剔除，屏幕空间裁剪，深度测试。一般来说，在渲染管线中越早把不需要渲染的数据剔除，就越能降低GPU在剔除过程中的计算量。上面的四个方法，在渲染管线中的顺序依次是G-Buffer剔除、背面剔除、屏幕空间裁剪、深度测试。一般可通过多种方法结合的方法，屏幕空间裁剪，深度测试，背面剔除是渲染管道中的固定操作，其中屏幕空间裁剪是必须的操作，其他两个操作可以开启和关闭。G-Buffer方法必须通过用户编程来实现，它的基本思想是，判断每个Geometry是否在可见范围内。
实施例2
请参阅图3，本发明提供的另一种实施例：一种基于数字场景的3D模型渲染系统，包括：
3D模型获取模块，材质和纹理分配模块，渲染模块，显示模块；
所述3D模型获取模块，用于获取为数字场景制作的3D模型实体的模型数据；
所述材质和纹理分配模块，用于为3D模型实体分配材质和纹理，包括颜色、纹理映射、法线贴图；
所述渲染模块，用于对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染；
所述显示模块，用于在屏幕上展示渲染后的3D模型。
渲染模块包括：光照模型单元和渲染单元，
所述光照模型单元，用于建立3D模型的光照模型，计算反射亮度、漫反射亮度和镜面反射亮度；
所述渲染单元，用于利用渲染策略，对3D模型进行渲染。
显示模块包括显示屏，用于展示渲染后的3D模型。
实施例3
请参阅图4，一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种基于数字场景的3D模型渲染方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，当计算机指令运行时执行一种基于数字场景的3D模型渲染方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明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发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种基于数字场景的3D模型渲染方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤S1：获取为数字场景制作的3D模型实体的模型数据；
步骤S2：为3D模型分配材质和纹理，模拟表面的外观和质地；
步骤S3：建立光照模型，利用渲染策略，对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染；
步骤S4：最终的数字场景3D模型渲染结果，并展示在屏幕中；
所述步骤S3的具体方法为：
步骤S301：计算人眼所能看到从物体表面反射的环境光的亮度，计算公式为：Ihj＝KaIa，其中，Ihj表示存储结果，即人眼所能看到从3D模型表面反射的环境光的亮度，Ka表示3D模型表面对环境光的反射率，Ia表示入射环境光的亮度；
步骤S302：计算3D模型中任意一点A的漫反射亮度，计算公式为：
Imfs＝KdImcosθ，其中，Imfs表示A点的漫反射光亮度，Kd表示环境光反射系数，Im表示入射光源的光强度，θ表示光线的入射线与反射线的夹角；
步骤S303：计算3D模型中任意一点A的镜面反射亮度，计算公式为：
Is＝KsImmax(0,n×h))b，其中，Is表示A点的镜面光强度，Ks表示镜面反射系数，b表示镜面反射指数，为常数，n表示光线的入射线方向矢量L和反射线方向矢量R的单位中值矢量，h表示光线的入射线方向矢量L和视线方向矢量S的单位中值矢量，
步骤S304：根据光照模型，得到3D模型中任意一点A的亮度为I，I＝Ihj+Imfs+Is；
步骤S305：利用渲染策略，对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染；
所述步骤S305中的渲染策略，具体步骤包括：
步骤S3051：将3D模型划分为6个平面，分别为：主视面、后视面、左视面、右视面、俯视面、仰视面；
步骤S3052：计算主视面每个点的冗余程度，计算公式为：ri＝ui×pi×min(ρi)，其中，ri表示主视面中第i个点的冗余程度，ui表示点i附近的点云进行主成分分析后的前两个主成分占比之和，pi是点i邻近点的密度，min(ρi)表示包含点i的视面里的点i邻近点的密度；
步骤S3053：设定冗余程度阈值为r，删除冗余程度ri大于r的点，并生成稀疏数量的点云，并利用三角形分割法将稀疏数量的点云分割为三角形块；
步骤S3054：计算每个三角形块的投影面积，计算公式为：其中，Sj表示第j个三角形块的投影面积，aj表示第j个三角形的底边长度，hj表示第j个三角形底边的高；
步骤S3055：对三角形渲染进行约束，渲染约束条件为：
其中，YS表示渲染约束条件，Sp表示第p个三角形块的投影面积，Sq∈Sp表示第p个三角形块包含了第q个三角形块，∧表示且运算，Scd表示第p个三角形块和第q个三角形块相交的投影面积，Sp+Sq-Scd表示第p个三角形块和第q个三角形块相交时的总投影面积，Sq∪Sp表示第p个三角形块和第q个三角形块相交。
2.如权利要求1所述的一种基于数字场景的3D模型渲染方法，其特征在于，所述材质和纹理包括：颜色、纹理映射、法线贴图。
3.一种基于数字场景的3D模型渲染系统，其基于权利要求1-2中任一项所述的一种基于数字场景的3D模型渲染方法实现，其特征在于，包括：3D模型获取模块，材质和纹理分配模块，渲染模块，显示模块；
所述3D模型获取模块，用于获取为数字场景制作的3D模型实体的模型数据；
所述材质和纹理分配模块，用于为3D模型实体分配材质和纹理，包括颜色、纹理映射、法线贴图；
所述渲染模块，用于对分配好材质和纹理的3D模型进行渲染；
所述显示模块，用于在屏幕上展示渲染后的3D模型。
4.如权利要求3所述的一种基于数字场景的3D模型渲染系统，其特征在于，所述渲染模块包括：光照模型单元和渲染单元，
所述光照模型单元，用于建立3D模型的光照模型，计算反射亮度、漫反射亮度和镜面反射亮度；
所述渲染单元，用于利用渲染策略，对3D模型进行渲染。
5.如权利要求4所述的一种基于数字场景的3D模型渲染系统，其特征在于，所述显示模块包括显示屏，用于展示渲染后的3D模型。
6.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-2中任一项所述的一种基于数字场景的3D模型渲染方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机指令，当计算机指令运行时执行权利要求1-2中任一项所述的一种基于数字场景的3D模型渲染方法的步骤。
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| CN116452720A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-07-18 | 杭州群核信息技术有限公司 | 渲染图生成方法、装置、计算机设备及其介质 |
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