CN117496040A - 一种闪烁点材质的着色方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闪烁点材质的着色方法及系统，属于图形渲染技术领域；对每个闪烁点材质物体的三维模型映射在屏幕上的像素点，当其处于闪烁点区域时，能基于用户需求闪烁频率和闪烁点亮度来对法线分布函数值进行采样，进而能够根据用户需求呈现的闪烁效果对模型进行渲染，达到高度逼真的渲染效果。在此基础上，通过引入色相贴图，并基于像素点的色相坐标对色相贴图进行采样，得到对应的色相颜色值，并与原像素的颜色值混合，从而使闪烁点呈现彩虹色，实现了带有彩色闪烁点的物体的渲染，真实感更强，更能够满足应用需求。除此之外，本发明能够与基于物理的渲染管线结合，实时性较高，可以部署在移动平台中。
Description
技术领域
本发明属于图形渲染技术领域，更具体地，涉及一种闪烁点材质的着色方法及系统。
背景技术
随着移动互联网的发展，人们越来越希望计算机生成的图像能够更加贴近于日常生活中所遇到的真实物体，尤其是在视频游戏中的角色服装展示、网购平台上的卖家服装展示、元宇宙虚拟自然风景等场景下，对物体的三维模型渲染的逼真度要求越来越高。
闪烁点材质物体是指表面附着有大量亮点的物体，如带有小亮片的布料、砂纸、沙滩等；观察者在观察闪烁点材质物体时，视角处于光线的反射角正对面时，能看到最强的反射颜色，且视角偏离越多，干涉效果越不明显，从而产生明暗变化的视觉效果。
未携带闪烁点的传统材质物体法线连续变化，其高光是连续分布的；而不同于这种传统材质物体，闪烁点材质物体由于存在大量闪烁点，在实际表现中，闪烁点的高光具有随机统一性。一方面，闪烁点区域内的高光是统一的，同一个闪烁点内的像素会同时亮起和暗下；另一方面，两个不同的闪烁点的高光又是随机的。现有的三维模型渲染方法多是通过产生随机噪声，直接改变材质法线来实现渲染，具有比较强的不可控性，往往仅适用于对未携带闪烁点的传统材质物体进行渲染，对于闪烁点材质物体，该方法无法根据用户所希望呈现的闪烁效果对模型进行渲染，难以达到高度逼真的渲染效果。且现有的这些三维模型渲染方法往往不是基于物理的，因此很难和目前主流的基于物理渲染管线结合，容易产生十分不和谐的视觉效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种闪烁点材质的着色方法及系统，用以解决现有技术对闪烁点材质物体的三维模型进行渲染时，难以达到高度逼真的渲染效果的技术问题。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种闪烁点材质的着色方法，包括：
分别计算闪烁点材质物体的三维模型映射在屏幕上时每一个像素点的颜色值，以对三维模型进行渲染；
其中，对于闪烁点材质物体的三维模型映射在屏幕上时的任意像素点A，当其位于预设闪烁点区域内时，其颜色值的计算方法包括：
将预先生成的闪烁点在不同闪烁频率下的法线分布图在闪烁频率方向上进行堆叠，得到三维贴图；将像素点A对应的半角向量映射到三维贴图中任意法线分布图所在的平面上，得到其在该平面下的分量stx和sty；生成满足均值为0，方差为用户输入的闪烁频率的正态分布的随机值v；在三维贴图的闪烁频率方向上随机截取两幅图像sx和sy；获取图像sx中(stx,v)坐标位置处的值dx，以及图像sy中(sty,v)坐标位置处的值dy，进而得到法线分布函数值的采样结果D'＝dxdy；基于用户输入的闪烁点亮度E对采样结果D'进行调整，得到调整后的法线分布函数值并将其代入双向反射分布函数中，得到像素点A的颜色值；μ为预设调整系数。
进一步优选地，双向反射分布函数为：
其中，fr(ωi,ωo,p)为当光线的输入方向为ωi、光线的输出方向为ωo时像素点A的颜色；p表示像素点A的世界空间坐标；G为几何遮蔽项，具体为ωh为像素点A对应的半角向量；n为像素点A的法线方向；ks为闪烁点材质物体的金属度，kd＝1-ks；c为漫反射衰减项。
进一步优选地，对于所述三维模型映射在屏幕上时的任意像素点A，当其位于预设闪烁点区域内时，其颜色值的计算方法还包括：根据像素点A处的光线与其法线的夹角θ、计算像素点A的色相坐标，并基于像素点A的色相坐标采样色相贴图得到像素点A的色相颜色值cH，并将色相颜色值cH和调整后的法线分布函数值D代入双向反射分布函数中，得到像素点A的颜色；
此时，双向反射分布函数为：
其中，fr(ωi,ωo,p)为当光线的输入方向为ωi、光线的输出方向为ωo时像素点A的颜色；p表示像素点A的世界空间坐标；G为几何遮蔽项，具体为ωh为像素点A对应的半角向量；n为像素点A的法线方向；ks为闪烁点材质物体的金属度，kd＝1-ks；c为漫反射衰减项。
进一步优选地，像素点A的色相坐标为：
Hue＝frac((1-cosθ)×span+offset)
其中，frac(·)表示取小数部分；span为预设颜色随视角变化的剧烈程度；offset为预设色相偏移值。
进一步优选地，生成任意闪烁频率下的法线分布图的方法，包括：
初始化宽度为N、长度为m的法线分布图；
针对法线分布图的第i行像素，生成长度为2K、且大小位于[0,1]之间的随机点序列{bj}，其中，i＝1,2,…,N；序列中的每个随机点均独立且服从同一分布；K为闪烁频率的总数量；
计算作为第i行像素中的第q个像素点的像素值；其中，F(bj,σ)表示均值为bj、方差为σ的分布函数；σ为闪烁点粗糙度；bj为从随机点序列中的第j个随机点；q＝1,2,…,m。
进一步优选地，上述预设闪烁点区域的获取方法包括：根据用户输入的闪烁点密度和闪烁点大小，采用Voronoi算法计算出各个闪烁点所在位置和形状，进而得到预设闪烁点区域。
进一步优选地，对于闪烁点材质物体的三维模型映射在屏幕上时的任意像素点A，当其未位于预设闪烁点区域内时，其颜色值的计算方法包括：
基于闪烁点材质物体的纹理、法线和金属度，通过基于物理的渲染方法，计算得到像素点A的颜色值。
第二方面，本发明提供了一种闪烁点材质的着色系统，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执行本发明第一方面所提供的闪烁点材质的着色方法。
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行本发明第一方面所提供的闪烁点材质的着色方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种闪烁点材质的着色方法，对闪烁点材质物体的三维模型映射在屏幕上时像素点，当其处于闪烁点区域时，基于用户希望的闪烁频率和闪烁点亮度来对法线分布函数值进行采样，使得法线分布的烘焙过程可以基于用户需求来控制，从而使得用户可以通过改变烘焙过程来使模型产生不同的外观，进而能够根据用户所希望呈现的闪烁效果对模型进行渲染，达到高度逼真的渲染效果。
2、进一步的，本发明所提供的闪烁点材质的着色方法，通过引入色相贴图，并基于像素点的色相坐标对色相贴图进行采样，得到对应的色相颜色值，并与原像素的颜色值混合，从而使闪烁点呈现彩虹色，实现了带有彩色闪烁点的物体的渲染，真实感更强，更能够满足应用需求。
3、进一步的，本发明所提供的闪烁点材质的着色方法，在闪烁频率下的法线分布图时，进一步考虑了闪烁点粗糙度，使得用户可以灵活调控闪烁点粗糙度，来让闪烁点的高光表现更加锐利或模糊，进而丰富渲染效果。
4、进一步的，本发明所提供的闪烁点材质的着色方法，根据用户输入的闪烁点密度和闪烁点大小，采用Voronoi算法计算出各个闪烁点所在位置和形状，进而得到闪烁点着色区域，使得用户可以灵活调控闪烁点密度和闪烁点大小，得到更加丰富的渲染效果。
5、进一步的，本发明所提供的闪烁点材质的着色方法，由于遵循基于物理的渲染的框架，能够与基于物理的渲染管线结合，实时性较高，可以部署在移动平台中，在保证表现效果的前提下拥有较少的指令数，具有更好的性能。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的闪烁点材质物体的三维模型映射在屏幕上时的任意像素点A的颜色值的计算方法流程图；
图2为本发明实施例1提供的闪烁点区域示意图；
图3为本发明实施例1提供的法线分布图示意图；
图4为本发明实施例1提供的无色相的渲染结果示意图；
图5为本发明实施例1提供的色相贴图示意图；
图6为本发明实施例1提供的带色相的渲染结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
一种闪烁点材质的着色方法，包括：
分别计算闪烁点材质物体的三维模型映射在屏幕上时每一个像素点的颜色值，以对三维模型进行着色渲染。
其中，如图1所示，闪烁点材质物体的三维模型映射在屏幕上时的任意像素点A的颜色值的计算方法包括：
S1、判断像素点A是否位于预设闪烁点区域内，若是，则转至步骤S2；否则，转至步骤S3；
具体地，上述预设闪烁点区域可以直接由用户预先指定，还可以根据用户输入的闪烁点密度和闪烁点大小计算得到，具体为：根据用户输入的闪烁点密度和闪烁点大小，采用Voronoi算法计算出各个闪烁点所在位置和形状，进而得到预设闪烁点区域，具体地，通过Voronoi算法程序化生成各个闪烁点所在的位置的过程为：
根据用户输入的闪烁点密度density将物体表面的纹理空间分为相同大小的网格。通过uv坐标计算当前着色点所处的网格，具体做法为对输入的uv值乘上density并做取整和取小数；整数部分为当前网格的编号，小数部分为着色点相对网格左上角的相对位置坐标。在每个网格中任意位置随机生成一个半径为r的圆，并以圆心坐标记录下来作为闪烁点所在的位置，其中r根据用户输入的闪烁点大小size调整，其公式为：本实施例中，闪烁点密度density的范围在(250,1000)之间，闪烁点大小size的范围在(0,1)之间。Voronoi算法在二维平面上的结果如图2所示。当判断像素点是否位于预设闪烁点区域内时，可以检查其是否处在当前所在网格或其3x3邻居网格的圆形中，若是，则将离像素点最近的圆心坐标作为随机种子。
需要说明的是，这里并不仅限于采用Voronoi算法，还可以采用Perlin噪声算法、Cellular噪声算法等。
S2、将预先生成的闪烁点在不同闪烁频率下的法线分布图在闪烁频率方向上进行堆叠，得到三维贴图；将像素点A对应的半角向量映射到三维贴图中任意法线分布图所在的平面上，得到其在该平面下的分量stx和sty；生成满足均值为0，方差为用户输入的闪烁频率的正态分布的随机值v；在三维贴图的闪烁频率方向上随机截取两幅图像sx和sy；获取图像sx中(stx,v)坐标位置处的值dx，以及图像sy中(sty,v)坐标位置处的值dy，进而得到法线分布函数值的采样结果D'＝dxdy；基于用户输入的闪烁点亮度E对采样结果D'进行调整，得到调整后的法线分布函数值并将其代入双向反射分布函数中，得到像素点A的颜色；μ为预设调整系数；其中，用户输入的闪烁点亮度E越大时，法线分布函数值D越大，闪烁点材质在屏幕中越亮，采用这种调整方式可以让闪烁度较高的闪烁点(采样层数较低)亮度增加的更少，以便突出因其没有亮起形成较暗点的“负点”现象，达到较为逼真的视觉效果。本实施例中，闪烁点亮度E的范围在(0,1)之间，预设调整系数μ取值为16。
在一种可选实施方式下，生成任意闪烁频率下的法线分布图的方法，包括：
初始化宽度为N、长度为m的法线分布图；
针对法线分布图的第i行像素，生成长度为2K、且大小位于[0,1]之间的随机点序列，其中，i＝1,2,…,N；序列中的每个随机点均独立且服从同一分布；K为闪烁频率的总数量；具体地，这里所指的分布可以为正态分布、均匀分布等；优选采用正态分布，随机采样正态分布N(0,1)并取绝对值，若采样值大于1，令其等于1，共计随机采样2K次，得到随机点序列；
计算作为第i行像素中的第q个像素点的像素值；其中，bj为从随机点序列中的第j个随机点；F(bj,σ)表示均值为bj、方差为σ的分布函数，这里的分布函数可以为正态分布函数、中心分布等分布形状为两头低中间高的钟形分布；σ为闪烁点粗糙度；q＝1,2,…,m。
具体地，如图3所示为本实施例所生成的法线分布图，其中，N为16，m为64，具体为64张16×64×3的贴图(其中3表示图像的颜色通道)，其中，每一张贴图中的每一层像素的每一个channel代表法线分布函数在64个不同方向上的值，而16层像素从上到下代表闪烁点的法线变化由剧烈变化变得逐渐平滑。
具体地，对三维贴图进行采样得到法线分布函数值的采样结果的过程如下：
将像素点A对应的半角向量ωh(即视线与当前像素点对应的物体表面之间的半角向量)从三维模型所在的世界空间坐标系映射到三维贴图中任意法线分布图所在的平面，得到纹理空间坐标st，公式为：
其中，ωh.x表示半角向量ωh在世界空间坐标系x轴方向的分量，ωh.y表示半角向量ωh在世界空间坐标系y轴方向的分量，ωh.z表示半角向量ωh在世界空间坐标系z轴方向的分量。
根据用户输入的闪烁频率参数，决定采样法线分布图中的哪一行像素。具体做法为，从一个均值为0，方差为闪烁频率的正态分布中随机采样一个随机值v作为法线分布图的v坐标。
在三维贴图的闪烁频率方向上随机截取两幅图像sx和sy；在一种可选实施方式下，可以基于之前所得的随机种子在三维贴图的闪烁频率方向上截取图像。
采样图像sx中(stx,v)坐标位置处的值dx，采样图像sy中(sty,v)坐标位置处的值dy，进而得到法线分布函数值的采样结果D'＝dxdy。
S3、计算标准管线着色：基于闪烁点材质物体的纹理、法线和金属度，通过基于物理的渲染方法，计算得到像素点A的颜色。
其中，双向反射分布函数为：
其中，fr(ωi,ωo,p)为当光线的输入方向为ωi、光线的输出方向为ωo时像素点A的颜色；p表示像素点A的世界空间坐标；G为几何遮蔽项，具体为ωh为像素点A对应的半角向量，具体为/>n为像素点A的法线方向；ks为闪烁点材质物体的金属度，kd＝1-ks为归一项；c为漫反射衰减项。
通过上述方法，用户可以灵活控制闪烁点颜色，闪烁点闪烁频率、闪烁点亮度，闪烁点密度，闪烁点大小，闪烁点金属度、粗糙度等属性，以达到更丰富的表现。另外，本发明由于遵循基于物理的渲染的框架，能够与基于物理的渲染管线结合，实时性较高，可以部署在移动平台中，在保证表现效果的前提下拥有较少的指令数，具有更好的性能。以不带彩色闪烁点的布料为例，通过上述方法所得的渲染结果如图4所示。
进一步地，在一种可选实施方式下，为了使闪烁点呈现彩虹色，上述步骤S2还包括：根据像素点A处的光线与其法线的夹角θ、计算像素点A的色相坐标，并基于像素点A的色相坐标采样色相贴图得到像素点A的色相颜色值cH，并将色相颜色值cH和调整后的法线分布函数值D代入双向反射分布函数中，得到像素点A的颜色；其中，色相贴图为一张包含连续变化颜色的2d贴图，由用户预先提供，具体如图5所示，其每个像素代表对应法相上的色相颜色值。
此时，双向反射分布函数为：
其中，fr(ωi,ωo,p)为当光线的输入方向为ωi、光线的输出方向为ωo时像素点A的颜色；p表示像素点A的世界空间坐标；G为几何遮蔽项，具体为ωh为像素点A对应的半角向量；n为像素点A的法线方向；ks为闪烁点材质物体的金属度，kd＝1-ks为归一项；c为漫反射衰减项。
进一步地，像素点A的色相坐标为：
Hue＝frac((1-cosθ)×span+offset)
其中，frac(·)表示取小数部分；span为预设颜色随视角变化的剧烈程度；offset为预设色相偏移值。
通过上述方法，本发明能够实时地渲染带有彩色闪烁点的物体，其真实感更能够满足应用需求，同时能够在移动平台上进行部署；同样以带有彩色闪烁点的布料为例，通过上述带色相的渲染结果如图6所示。
实施例2
一种闪烁点材质的着色方法系统，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执行本发明实施例1所提供的闪烁点材质的着色方法。
相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。
实施例3
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行本发明实施例1所提供的闪烁点材质的着色方法。
相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种闪烁点材质的着色方法，其特征在于，包括：
分别计算闪烁点材质物体的三维模型映射在屏幕上时每一个像素点的颜色值，以对三维模型进行渲染；
其中，对于所述三维模型映射在屏幕上时的任意像素点A，当其位于预设闪烁点区域内时，其颜色值的计算方法包括：
将预先生成的闪烁点在不同闪烁频率下的法线分布图在闪烁频率方向上进行堆叠，得到三维贴图；将像素点A对应的半角向量映射到三维贴图中任意法线分布图所在的平面上，得到其在该平面下的分量stx和sty；生成满足均值为0，方差为用户输入的闪烁频率的正态分布的随机值v；在三维贴图的闪烁频率方向上随机截取两幅图像sx和sy；获取图像sx中(stx，v)坐标位置处的值dx，以及图像sy中(sty，v)坐标位置处的值dy，进而得到法线分布函数值的采样结果D′＝dxdy；基于用户输入的闪烁点亮度E对采样结果D′进行调整，得到调整后的法线分布函数值并将其代入双向反射分布函数中，得到像素点A的颜色值；μ为预设调整系数。
2.根据权利要求1所述的着色方法，其特征在于，所述双向反射分布函数为：
其中，fr(ωi，ωo，p)为当光线的输入方向为ωi、光线的输出方向为ωo时像素点A的颜色；p表示像素点A的世界空间坐标；G为几何遮蔽项，具体为ωh为像素点A对应的半角向量；n为像素点A的法线方向；ks为闪烁点材质物体的金属度，kd＝1-ks；c为漫反射衰减项。
3.根据权利要求1所述的着色方法，其特征在于，对于所述三维模型映射在屏幕上时的任意像素点A，当其位于预设闪烁点区域内时，其颜色值的计算方法还包括：根据像素点A处的光线与其法线的夹角θ，计算像素点A的色相坐标，并基于像素点A的色相坐标采样色相贴图得到像素点A的色相颜色值cH，并将色相颜色值cH和调整后的法线分布函数值D代入双向反射分布函数中，得到像素点A的颜色；
此时，所述双向反射分布函数为：
其中，fr(ωi，ωo，p)为当光线的输入方向为ωi、光线的输出方向为ωo时像素点A的颜色；p表示像素点A的世界空间坐标；G为几何遮蔽项，具体为ωh为像素点A对应的半角向量；n为像素点A的法线方向；ks为闪烁点材质物体的金属度，kd＝1-ks；c为漫反射衰减项。
4.根据权利要求3所述的着色方法，其特征在于，像素点A的色相坐标为：
Hue＝frac((1-cosθ)×span+offset)
其中，frac(·)表示取小数部分；span为预设颜色随视角变化的剧烈程度；offset为预设色相偏移值。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的着色方法，其特征在于，生成任意闪烁频率下的法线分布图的方法包括：
初始化宽度为N、长度为m的法线分布图；
针对法线分布图的第i行像素，生成长度为2K、且大小位于[0，1]之间的随机点序列{bj}，其中，i＝1,2，…，N；序列中的每个随机点均独立且服从同一分布；K为闪烁频率的总数量；
计算作为第i行像素中的第q个像素点的像素值；其中，F(bj，σ)表示均值为bj、方差为σ的分布函数；σ为闪烁点粗糙度；bj为从随机点序列中的第j个随机点；q＝1，2，…，m。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的着色方法，其特征在于，所述预设闪烁点区域的获取方法包括：根据用户输入的闪烁点密度和闪烁点大小，采用Voronoi算法计算出各个闪烁点所在位置和形状，进而得到预设闪烁点区域。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的着色方法，其特征在于，对于所述三维模型映射在屏幕上时的任意像素点A，当其未位于预设闪烁点区域内时，其颜色值的计算方法包括：
基于闪烁点材质物体的纹理、法线和金属度，通过基于物理的渲染方法，计算得到像素点A的颜色。
8.一种闪烁点材质的着色系统，其特征在于，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执行权利要求1-7任意一项所述的着色方法。
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包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1-7任意一项所述的着色方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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