[發明專利]一種計算機實時素描渲染系統及其算法

在審

• 申請號: 201710102720.2
• 申請日: 2017-02-24
• 公開（公告）號: CN106910237A
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 劉元珍;黃曙榮;劉建釗
• 申請（專利權）人: 鹽城工學院
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00;G06T15/04
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙)61223
• 代理人: 潘宏偉

1.一種計算機實時素描渲染系統，其特征在于：該計算機實時素描渲染系統由場景數據文件模塊、渲染引擎、輸入模塊、輪廓線檢測模塊和三維模型生成模塊組成；

所述場景數據文件模塊用于加載和保存場景數據，并將場景數據文件上傳至所述渲染引擎中；

所述渲染引擎包括向量矩陣模塊、混合文本渲染模塊、照相機視圖體模塊、多定時器模塊、紋理圖像加載和紋理庫管理模塊與渲染應用通用模塊，所述向量矩陣模塊用于完成各種向量運算和矩陣運算功能；所述混合文本渲染模塊實現文本顯示功能，采用基于紋理映射的方式來顯示文本，在運行時動態改變字體和字體大小；所述照相機視圖體模塊實現三維渲染系統中的照相機模型和視圖體剪裁相關基本算法，為場景漫游、場景漫游路徑記錄與回放和層次性視圖體剪裁提供實現支持；所述多定時模塊用于完成基本的定時功能，提供8個獨立的時間計時器，并使用其中的兩個時間計時器來實現幀速顯示和幀速調控；所述紋理圖像加載和紋理庫管理模塊用于加載圖像文件到內存中，生成紋理對象供場景渲染，并把一個場景模型中的所有紋理對象放進紋理庫中進行管理；所述渲染應用通用模塊為渲染應用系統提供一個基本的框架，并完成窗口初始化和渲染環境建立的通用功能；

所述輸入模塊包括鼠標輸入和鍵盤輸入，且所述渲染引擎的場景漫游操作由鍵盤控制；

所述輪廓線檢測模塊用于輪廓線的檢測與拆分，并對不同方向上的輪廓線進行紊亂處理；

所述三維模型生成模塊利用三維模型切線方向和副法線方向生成相應的方向場，并分別對帶有光影信息的基礎紋理進行線性卷積處理，輸出不同方向的線條紋理圖。

2.根據權利要求1所述的一種計算機實時素描渲染系統，其特征在于：所述輸入模塊的處理對于25幀/秒的渲染系統，其處理的相應時間為40毫秒。

3.根據權利要求1所述的一種計算機實時素描渲染系統，其特征在于：所述紋理圖像加載和紋理庫管理模塊支持bmp、tga和jpg三種圖像文件格式，并支持圖像文件格式擴展。

4.一種計算機實時素描渲染算法，其特征在于：該計算機實時素描渲染算法的具體步驟如下：

S1：對輪廓線進行檢測與拆分，對不同方向的輪廓線進行紊亂處理；

S2：對輪廓線條進行線性卷積根據公式重新計算每個方向上的輪廓線像素點周邊像素的影響權重，式中f(x)為周邊像素點的影響權重，Γ為卡方方程的偏正態分布效果值，n為可影響當前像素的周邊像素個數；

S3：根據公式重新計算每個像素點的像素值，式中P₀是當前像素點的原始像素值，f(i)是由步驟S2中的公式計算出的周邊像素點的影響權重，N是拆解成不同方向的輪廓線總數，D_t′(i)是通過公式拆解成不同方向的輪廓線在周邊像素點i處的像素值；

S4：在三維模型空間中生成噪聲圖，通過利用三維空間位置坐標信息多次查詢得到合理的噪聲圖，并對三維坐標信息多次查詢得到的噪聲圖進行混合，得到最終的場景基礎紋理；

S5：在基礎紋理圖中，首先利用三維模型的切線方向和副法線方向生成相應的方向場，然后分別對帶有光影信息的基礎紋理圖進行線性卷積處理，得到不同方向的混合紋理圖，最后混合不同方向的線條紋理圖產生具有素描畫中線條疊加的效果紋理；

S6：混合輪廓線和紋理渲染的結果后，得到完整的素描化風格渲染。

5.根據權利要求4所述的一種計算機實時素描渲染算法，其特征在于：所述步驟S1中，在對輪廓線進行紊亂處理時，根據D′_t＝D_t(C′·x，C′·y)和的公式進行處理，式中C是原始像素點的坐標值，C′是經過紊亂處理后的像素點坐標值，D_t(x,y)是拆解成不同方向的輪廓線圖像在(x,y)上的像素值，D_t′是經過紊亂處理后的不同方向的輪廓線圖像，N是輪廓線被拆解方向的總數，O是當前像素點在原始輪廓線中的像素值，k是不同方向輪廓線的混合權重。

6.根據權利要求4所述的一種計算機實時素描渲染算法，其特征在于：所述步驟S5中，混合不同方向的線條紋理圖具有三個階段，第一階段渲染出三維模型切線方向的分布和副法線的分布，通過這兩份紋理計算出相應的LIC方向場；第二階段根據第一階段計算出的方向場對基礎紋理進行線性卷積計算；第三階段混合兩個方向的紋理圖得到具有疊加效果的紋理。