[發(fā)明專利]虛擬家裝室內(nèi)場景設計中的陰影渲染方法

有效

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• 申請日: 2014-04-23
• 公開（公告）號: CN103903296A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設計）人: 章品正;姜曉彤;盛玲;尤肖虎
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學
• 主分類號: G06T15/60
• 分類號: G06T15/60
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，涉及一種虛擬環(huán)境中的實時陰影效果渲染方法。

背景技術(shù)

虛擬現(xiàn)實是人工構(gòu)造的存在于計算機內(nèi)部的環(huán)境，是一種高級的人機界面。三維虛擬家裝室內(nèi)的場景效果圖將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到了家裝領(lǐng)域。通過對家裝室內(nèi)場景進行照片級的真實感渲染使得用戶產(chǎn)生置身于相應的真實環(huán)境中的感覺。顧客也可運用此技術(shù)體會裝修后的效果，給人們的購房和裝修帶來了很大的便利，具有較大的市場前景。

陰影作為影響三維場景真實感的重要因素，可以為場景提供空間的幾何信息，有助于理解物體間的相互位置關(guān)系和大小，利用投射陰影可以決定物體在空間中的位置，反映空間物體的細微信息和位置關(guān)系。三維圖形中陰影不僅能增加畫面的層次感和變化感，突出模型之間的對比度，還能使整個場景色調(diào)豐富，有效地表現(xiàn)場景中各個物體的輪廓。在家裝室內(nèi)虛擬場景中加入效果柔和的陰影無疑是大有裨益的。

從物理角度來分析，由于光線在傳播路徑上被不透明物體阻擋從而產(chǎn)生陰影。從計算機圖形學角度來看，若從場景中的一點P看不到光源，那么點P就處在陰影中。這是因為光源發(fā)出的光不能到達P點，也就是說陰影是眼睛可以看到而光源看不到的區(qū)域。因而它對于判斷物體的空間關(guān)系、形狀特征(如：遮擋物，接受體的幾何特征)以及其與光源的距離等信息而言有著不可替代的作用。

按照光源模型的不同，又能產(chǎn)生軟陰影(soft?shadow)與硬陰影(hard?shadow)。當僅存在一個點光源的照射下時場景中的點只有在陰影中或在陰影之外兩種狀態(tài)，這種簡單的情況就是硬陰影。這種陰影只有在一個點光源的照射下才可能存在，然而在現(xiàn)實中卻并不多見，這使得硬陰影降低了圖像的真實感。如果光源是比較大的發(fā)光體，當不透明體遮住光源時所產(chǎn)生的影子就有兩部分，完全暗的部分叫本影(umbra)，半明半暗的部分叫半影(penumbra)。本影與半影構(gòu)成了整個陰影，這種陰影真實感強，被稱為軟陰影。真實的物理世界中并不存在理想的點光源，物體與物體之間存在著無窮無盡的反射。因此，在虛擬環(huán)境中運用軟陰影將比硬陰影得到更好的渲染效果。

眾所周知，有光源和遮擋物，就可能產(chǎn)生陰影。在計算機圖形學中，光照模型可以分為全局光照模型和局部光照模型。局部光照模型只計算直接光照下幾何物體表面每個像素點上的光亮度和色彩；而全局光照模型不僅具備局部光照模型的功能，還可以完整的計算出光反射所引起的間接照明作用。基于全局的光照模型的陰影方法大多是基于球面調(diào)諧函數(shù)以及基于小波變換的方法，構(gòu)思巧妙，但是計算復雜，需要對場景進行預計算。最近研究者提出了一種基于預計算輻射轉(zhuǎn)換的技術(shù)，從而產(chǎn)生高質(zhì)量的陰影。近年來，隨著人們對照片級真實感場景的追求，提出了運用光測圖對環(huán)境進行照明，使得場景具有鏡面反射、折射、漫反射等各種復雜光照的特性。

早期的局部光照模型方法主要是針對幾何光照，也就是局部光照提出來的，分別是：Crow于1977年提出的陰影體(Shadow?Volumes)方法和Williams于1978年提出的陰影映射圖(Shadow?Maps)方法。陰影體方法基于物體的幾何形狀，它不能處理沒有多邊形結(jié)構(gòu)的物體的陰影計算；同時由于繪制陰影體需要很高的填充率，因此該方法不適合復雜動態(tài)場景的實時陰影繪制。陰影映射圖方法基于圖像空間采樣技術(shù)，對場景中的物體沒有特殊的要求，并且方法的執(zhí)行效率與物體的幾何復雜度無關(guān)，所以該方法非常適用于復雜三維室內(nèi)場景的實時陰影繪制。但是陰影映射圖方法存在走樣問題。當在光柵圖形顯示器上繪制非水平且非垂直的直線或多邊形邊界時，或多或少會呈現(xiàn)鋸齒狀或臺階狀外觀。這是因為直線或多邊形是連續(xù)的，而光柵則是由離散的點組成，在光柵顯示設備上表現(xiàn)直線或多邊形必須在離散位置采樣。由于采樣不充分導致重建后的信息失真，這就是走樣問題。針對陰影映射圖方法的走樣問題，Reeves提出了百分比漸進濾波方法(Percentage-Closer?Filtering)，該方法主要對深度距離值比較的結(jié)果進行濾波，取得了一定的成果，但是該方法需要很多次采樣才能降低噪聲，帶來了很大的計算量。

本發(fā)明以虛擬家裝軟件為應用平臺，通過增加室內(nèi)場景的陰影來提高軟件渲染的真實感。基于環(huán)境的映射技術(shù)是近年來比較熱門的全局光照模型，它通過運用包含場景材質(zhì)光照信息的圖片對場景進行照明，真實感強烈。局部光照雖然真實感遜于全局光照，但是計算量少，實時性好。考慮到虛擬家裝設計軟件的實時性要求，本發(fā)明設計了一種虛擬家裝室內(nèi)場景陰影渲染方法。