CN102129677A - 阴影形成方法和系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种阴影形成方法和系统。其中，该方法包括：获取并记录需要渲染的场景中的多个可见像素的深度信息，其中所述多个可见像素中的任意一个可见像素的深度信息包括所述一个可见像素所在的三角形的各条边的边方程系数以及所述一个可见像素所在的三角形的各个顶点的深度值，所述三角形是通过对所述需要渲染的场景进行三角化形成的；在当前需要渲染的像素不是所述多个可见像素之一时，根据所述多个可见像素中的一个或多个可见像素的深度信息获取所述当前需要渲染的像素的深度值；在所述当前需要渲染的像素的深度值小于所述当前需要渲染的像素与光源之间的实际距离时，将所述当前需要渲染的像素渲染成阴影颜色。
Description
技术领域
本发明涉及图形处理领域，更具体地涉及一种阴影生成方法和系统。
背景技术
阴影图(Shadow Map)是一种基于深度图(Depth Map)的阴影生成方法，由Lance Williams于1978年在文章“Casting curved shadows oncurved surfaces”中首次提出。该方法的主要思想是：在第一遍渲染场景时，将场景的深度信息存放在纹理图片上，这个纹理图片称为深度图(深度图是一张二维图片，其上的每个像素都记录了从光源到遮挡物(即阴影生成物体)上的某个采样点的距离，并且这些像素对于光源而言是“可见的”。“可见”像素是指以光源为观察点，光的方向为观察方向，设置观察矩阵并渲染所有遮挡物，最终出现在渲染表面上的像素。深度图中的像素的深度值记为lenth1)；然后在第二次渲染场景时，将深度图中的信息length1取出，和当前采样点与光源的距离length2做比较，如果length1小于length2，则说明当前采样点被遮挡处于阴影区，然后在片段着色程序中，将对应于该采样点的像素设置为阴影颜色。
在传统的阴影图方法中，深度图上的每个像素(下文中称为可见像素)都记录了从光源到遮盖物上的采样点的距离(即，像素的深度值)。在第二次渲染场景时，如果将要渲染的像素不是深度图中的任意一个可见像素，则这个将要渲染的像素的深度值可以通过对深度图中记录的与该像素相邻的可见像素的深度值进行内插得出。由于深度图中记录的各个可见像素的深度值不是线性连续分布的，所以这种内插将导致遮挡物边缘的混淆效应。
图1示出了传统的阴影图方法的示意图，其中深度图用来记录投影平面到光源之间的遮挡物上的采样点与光源之间的距离(即，可见像素的深度值)。由于深度图仅记录了与遮挡物上的各个采样点对应的可见像素的深度值，而上述两个渲染处理的采样点通常不同，所以如果第二次渲染场景时某个像素对应的采样点不同于深度图中的任意一个可见像素对应的采样点，则第二次渲染场景时该像素的深度值可以通过对深度图中的多个可见像素的深度值进行线性内插得出，即是深度图中的多个可见像素的深度值的线性内插结果。但是，如图1所示，深度图不是线性连续函数，这种线性内插将导致遮挡物的边缘的混淆。
发明内容
鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种新的阴影生成方法和系统。
根据本发明实施例的阴影形成方法，包括：获取并记录需要渲染的场景中的多个可见像素的深度信息，其中所述多个可见像素中的任意一个可见像素的深度信息包括所述一个可见像素所在的三角形的各条边的边方程系数以及所述一个可见像素所在的三角形的各个顶点的深度值，所述三角形是通过对所述需要渲染的场景进行三角化形成的；在当前需要渲染的像素不是所述多个可见像素之一时，根据所述多个可见像素中的一个或多个可见像素的深度信息获取所述当前需要渲染的像素的深度值；以及在所述当前需要渲染的像素的深度值小于所述当前需要渲染的像素与光源之间的实际距离时，将所述当前需要渲染的像素渲染成阴影颜色。
根据本发明实施例的阴影形成系统，包括：深度信息记录单元，被配置为获取并记录需要渲染的场景中的多个可见像素的深度信息，其中所述多个可见像素中的任意一个可见像素的深度信息包括所述一个可见像素所在的三角形的各条边的边方程系数以及所述一个可见像素所在的三角形的各个顶点的深度值，所述三角形是通过对所述需要渲染的场景进行三角化形成的；深度信息获取单元，被配置为在当前需要渲染的像素不是所述多个可见像素之一时，根据所述多个可见像素中的一个或多个可见像素的深度信息获取所述当前需要渲染的像素的深度值；以及像素渲染执行单元，被配置为在所述当前需要渲染的像素的深度值小于所述当前需要渲染的像素与光源之间的实际距离时，将所述当前需要渲染的像素渲染成阴影颜色。
本发明通过存储可见像素所在三角形的三条边的边方程系数和三个顶点的深度值，而不直接存储可见像素的深度值，可以解决传统的阴影图方法中存在的物体边缘混淆的问题。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
图1是传统的阴影图方法的示意图；
图2是二维地示出根据本发明实施例的阴影形成方法/系统的原理的示意图；
图3是根据本发明实施例的阴影形成方法的流程图；
图4是根据本发明实施例的阴影形成系统的框图；以及
图5是根据本发明实施例的阴影形成方法/系统的应用示例的示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明各个方面的特征和示例性实施例。下面的描述涵盖了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更清楚的理解。本发明绝不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了相关元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。
为了解决图1所示的传统的阴影图方法存在的问题，本发明提供了一种新颖的阴影形成方法和系统。图2是二维地示出根据本发明实施例的阴影形成方法/系统的原理的示意图。如图2所示，对于图1所示场景中的各个可见像素的深度值，可以由以下5个函数F0(x)～F4(x)表示：
F0(x)＝k0*x+b0，0≤x≤x0
F1(x)＝k1*x+b1，x0≤x≤x1
F2(x)＝k2*x+b2，x1≤x≤x2
F3(x)＝k3*x+b3，x2≤x≤x3
F4(x)＝k4*x+b4，x≥x3
其中，Fn(x)表示可见像素所在曲线的曲线方程。En＝(kn，bn，xn-1，xn)包括了描述Fn(x)的充足信息。每个可见像素所在的曲线只有一条，所以每个可见像素的深度值可以由一个曲线函数来表示。可以在深度图中记录每个可见像素的曲线函数信息En(s，t)，其中，s，t是可见像素的位置坐标。
对于例如图2中的像素V，在第二次渲染场景时，可以从深度图读取可见像素L4和L5的曲线函数信息。L4的曲线函数信息是E0，而L5的曲线函数是E1。当计算像素V的深度值时，将像素V的坐标值x与F0的适用范围[0，x0]和F1的使用范围[x0，x1]进行比较，可以确定像素V所属的曲线函数。然后可以使用这个曲线函数来计算像素V的深度值。使用这种方法，可以解决传统的阴影图方法存在的问题。
在三维投影处理中，深度图是一系列的二维函数fn(x，y)。最接近光源的遮挡物上的采样点在深度图中的相应像素位于对遮挡物及其周围物体组成的场景进行渲染的过程中形成的三角形中(即，在对遮挡物及其周围物体组成的场景进行渲染之前，对遮挡物及其周围物体组成的场景进行三角化等处理而形成的三角形)。所以可以使用遮挡物上的采样点在深度图中的相应像素所在的三角形的各条边的曲线函数来创建fn(x，y)。例如，对于深度图中的可见像素n，其深度信息可以记录为En＝(a0n，b0n，c0n，a1n，b1n，c1n，a2n，b2n，c2n，d0n，d1n，d2n)，其中，a0～a2，b0～b2，c0～c2是可见像素n所在的三角形的三条边的边方程系数，d0，d1，d2是可见像素n所在的三角形的三个顶点的深度值。
图3是根据本发明实施例的阴影形成方法的流程图。如图3所示，该阴影形成方法包括：S302，获取并记录需要渲染的场景中的多个可见像素的深度信息，其中所述多个可见像素中的任意一个可见像素的深度信息包括所述一个可见像素所在的三角形的各条边的边方程系数以及所述一个可见像素所在的三角形的各个顶点的深度值，所述三角形是通过对所述需要渲染的场景进行三角化形成的；S304，在当前需要渲染的像素不是所述多个可见像素之一时，根据所述多个可见像素中的一个或多个可见像素的深度信息获取所述当前需要渲染的像素的深度值；以及S306，在所述当前需要渲染的像素的深度值小于所述当前需要渲染的像素与光源之间的实际距离时，将所述当前需要渲染的像素渲染成阴影颜色。
图4是根据本发明实施例的阴影形成系统的框图。如图4所示，该阴影形成系统包括深度信息记录单元402、深度信息获取单元404、以及像素渲染执行单元406。深度信息获取单元406进一步包括像素位置判断单元4062和像素深度获取单元4064。
具体地，深度信息记录单元402获取并记录需要渲染的场景中的多个可见像素的深度信息(即，执行步骤S302)。深度信息获取单元404在当前需要渲染的像素不是所述多个可见像素之一时，根据所述多个可见像素中的一个或多个可见像素的深度信息获取所述当前需要渲染的像素的深度值(即，执行步骤S304)。像素渲染执行单元406在所述当前需要渲染的像素的深度值小于所述当前需要渲染的像素与光源之间的实际距离时，将所述当前需要渲染的像素渲染成阴影颜色(即，执行步骤S306)。
像素位置判断单元4062利用与所述当前需要渲染的像素相邻的四个可见像素所在的三角形的各条边的边方程系数，判断所述当前需要渲染的像素是否处于所述四个可见像素中的一个或多个可见像素所在的三角形中；像素深度获取单元4064在所述当前需要渲染的像素仅处于所述四个可见像素中的一个可见像素所在的三角形中的情况下，通过对所述当前需要渲染的像素所在的三角形的三个顶点的深度值进行内插，来获取所述当前需要渲染的像素的深度值。
下面以图5中所示的示例说明根据本发明实施例的阴影形成方法/系统的工作过程。如图5所示，深度图中记录了25个可见像素的深度信息，当前需要渲染的像素V位于可见像素L0～L3之间(这里的可见像素以及需要渲染的像素的位置都是随机描述的，而不是限制性的)。
这里假设，可见像素L0～L3分别位于三角形T0～T3中。深度图中记录的可见像素L0～L3的深度信息为(a0i，b0i，c0i，a1i，b1i，c1i，a2i，b2i，c2i，d0i，d1i，d2i)，i＝0～3。(a0i，b0i，c0i)表示可见像素Li所在的三角形Ti的边0的边方程系数，(a1i，b1i，c1i)表示可见像素Li所在的三角形Ti的边1的边方程系数，(a2i，b2i，c2i)表示可见像素Li所在的三角形Ti的边2的边方程系数。d0i表示可见像素Li所在的三角形Ti的顶点0的深度值，d1i表示可见像素Li所在的三角形Ti的顶点1的深度值，d2i表示可见像素Li所在的三角形Ti的顶点2的深度值。
为了对当前需要渲染的像素V进行渲染，需要获取像素V的深度值。在本实施例中，在获取像素V的深度值之前，需要判断像素V位于与其相邻的可见像素L0～L3中的哪一个或哪一些可见像素所在的三角形中。假设像素V的坐标为(x，y)，可以通过以下处理来获取像素V的深度值：
1)判断以下各个条件是否成立，如果以下各条件均成立，则认为像素V处于可见像素Li所在的三角形Ti中。
a0i*x+b0i*y+c0i＞＝0；
a1i*x+b1i*y+c1i＞＝0；
a2i*x+b2i*y+c2i＞＝0；
2)如果像素V仅位于可见像素Li所在的三角形Ti中，则获取三角形Ti的三个顶点的深度值d0i，d1i，d2i的内插运算结果Vd(Ti)，并将该内插运算结果Vd(Ti)作为像素V的深度值；如果像素V同时位于可见像素L0～L3所在的三角形T0～T3中，则分别获取三角形T0～T3的三个顶点的内插运算结果Vd(T0)～Vd(T3)，并取Vd(T0)～Vd(T3)中的最小值作为像素V的深度值。
3)如果像素V的深度值小于像素V与光源之间的实际距离，则认为像素V不在阴影中；否则认为像素V在阴影中，并将像素V渲染为阴影颜色。
综上所述，本发明通过存储可见像素所在三角形的三条边的边方程系数和三个顶点的深度值，而不直接存储可见像素的深度值，可以解决传统的阴影图方法中存在的物体边缘混淆的问题。
以上已经参考本发明的具体实施例来描述了本发明，但是本领域技术人员均了解，可以对这些具体实施例进行各种修改、组合和变更，而不会脱离由所附权利要求或其等同物限定的本发明的精神和范围。
根据需要可以用硬件或软件来执行步骤。注意，在不脱离本发明范围的前提下，可向本说明书中给出的流程图添加步骤、从中去除步骤或修改其中的步骤。一般来说，流程图只是用来指示用于实现功能的基本操作的一种可能的序列。
本发明的实施例可利用编程的通用数字计算机、利用专用集成电路、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、光的、化学的、生物的、量子的或纳米工程的系统、组件和机构来实现。一般来说，本发明的功能可由本领域已知的任何手段来实现。可以使用分布式或联网系统、组件和电路。数据的通信或传送可以是有线的、无线的或者通过任何其他手段。
还将意识到，根据特定应用的需要，附图中示出的要素中的一个或多个可以按更分离或更集成的方式来实现，或者甚至在某些情况下被去除或被停用。实现可存储在机器可读介质中的程序或代码以允许计算机执行上述任何方法，也在本发明的精神和范围之内。
此外，附图中的任何信号箭头应当被认为仅是示例性的，而不是限制性的，除非另有具体指示。当术语被预见为使分离或组合的能力不清楚时，组件或者步骤的组合也将被认为是已经记载了。
Claims (10)
1.一种阴影形成方法，包括：
获取并记录需要渲染的场景中的多个可见像素的深度信息，其中所述多个可见像素中的任意一个可见像素的深度信息包括所述一个可见像素所在的三角形的各条边的边方程系数以及所述一个可见像素所在的三角形的各个顶点的深度值，所述三角形是通过对所述需要渲染的场景进行三角化形成的；
在当前需要渲染的像素不是所述多个可见像素之一时，根据所述多个可见像素中的一个或多个可见像素的深度信息获取所述当前需要渲染的像素的深度值；以及
在所述当前需要渲染的像素的深度值小于所述当前需要渲染的像素与光源之间的实际距离时，将所述当前需要渲染的像素渲染成阴影颜色。
2.根据权利要求1所述的阴影形成方法，其特征在于，根据所述多个可见像素中的一个或多个可见像素的深度信息获取所述当前需要渲染的像素的深度值的处理包括：
利用与所述当前需要渲染的像素相邻的四个可见像素所在的三角形的各条边的边方程系数，判断所述当前需要渲染的像素是否处于所述四个可见像素中的一个或多个可见像素所在的三角形中；
如果所述当前需要渲染的像素仅处于所述四个可见像素中的一个可见像素所在的三角形中，则通过对所述当前需要渲染的像素所在的三角形的三个顶点的深度值进行内插，来获取所述当前需要渲染的像素的深度值。
3.根据权利要求2所述的阴影形成方法，其特征在于，如果所述当前需要渲染的像素处于所述四个可见像素中的两个以上可见像素所在的三角形中，则获取所述当前需要渲染的像素所在的每一个三角形的三个顶点的深度值的内插运算结果，并将所述当前需要渲染的像素所在的三角形的三个顶点的内插运算结果中的最小值作为所述当前需要渲染的像素的深度值。
4.根据权利要求2所述的阴影形成方法，其特征在于，当所述当前需要渲染的像素相对于一个可见像素所在的三角形的三条边的边方程值均不小于零时，判断出所述当前需要渲染的像素处于所述一个可见像素所在的三角形中。
5.根据权利要求1所述的阴影形成方法，其特征在于，在所述当前需要渲染的像素是所述多个可见像素之一时，通过对所述当前需要渲染的像素所在的三角形的三个顶点的深度值进行内插，来获取所述当前需要渲染的像素的深度值。
6.一种阴影形成系统，包括：
深度信息记录单元，被配置为获取并记录需要渲染的场景中的多个可见像素的深度信息，其中所述多个可见像素中的任意一个可见像素的深度信息包括所述一个可见像素所在的三角形的各条边的边方程系数以及所述一个可见像素所在的三角形的各个顶点的深度值，所述三角形是通过对所述需要渲染的场景进行三角化形成的；
深度信息获取单元，被配置为在当前需要渲染的像素不是所述多个可见像素之一时，根据所述多个可见像素中的一个或多个可见像素的深度信息获取所述当前需要渲染的像素的深度值；以及
像素渲染执行单元，被配置为在所述当前需要渲染的像素的深度值小于所述当前需要渲染的像素与光源之间的实际距离时，将所述当前需要渲染的像素渲染成阴影颜色。
7.根据权利要求6所述的阴影形成系统，其特征在于，所述深度信息获取单元包括：
像素位置判断单元，被配置为利用与所述当前需要渲染的像素相邻的四个可见像素所在的三角形的各条边的边方程系数，判断所述当前需要渲染的像素是否处于所述四个可见像素中的一个或多个可见像素所在的三角形中；
像素深度获取单元，被配置为在所述当前需要渲染的像素仅处于所述四个可见像素中的一个可见像素所在的三角形中的情况下，通过对所述当前需要渲染的像素所在的三角形的三个顶点的深度值进行内插，来获取所述当前需要渲染的像素的深度值。
8.根据权利要求7所述的阴影形成系统，其特征在于，在所述当前需要渲染的像素处于所述四个可见像素中的两个以上可见像素所在的三角形中的情况下，所述像素深度获取单元获取所述当前需要渲染的像素所在的每一个三角形的三个顶点的深度值的内插运算结果，并将所述当前需要渲染的像素所在的三角形的三个顶点的内插运算结果中的最小值作为所述当前需要渲染的像素的深度值。
9.根据权利要求7所述的阴影形成系统，其特征在于，当所述当前需要渲染的像素相对于一个可见像素所在的三角形的三条边的边方程值均不小于零时，所述像素位置判断单元判断所述当前需要渲染的像素处于所述一个可见像素所在的三角形中。
10.根据权利要求6所述的阴影形成系统，其特征在于，在所述当前需要渲染的像素是所述多个可见像素之一时，所述深度信息获取单元通过对所述当前需要渲染的像素所在的三角形的三个顶点的深度值进行内插，来获取所述当前需要渲染的像素的深度值。
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