用于估計場景中的不透明度水平的方法及相應的設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于估計場景的點(13)處的不透明度的方法，所述場景被面光源(10)照亮并且包括由網格定義并遮擋發(fā)出光中的一些的物體(11)。為了優(yōu)化針對不透明度的現(xiàn)場估計的計算，該方法包括以下步驟：-在多個采樣點(101、102、103)中對所述面光源(10)進行采樣，-針對多個采樣點(101、102、103)中的至少一個采樣點并且針對遮擋物(11)的從該至少一個采樣點可見的至少一個第一網格單元，針對至少一個第一網格單元的每條邊生成一個陰影面，-根據(jù)與每個穿過的陰影面相關聯(lián)的法線和至少一條射線(21)所形成的角度，根據(jù)表示所述至少一條射線(21)與所述至少一條射線(21)穿過的陰影面之間的交點(210、211、212)集合的不透明度的值來估計取決于函數(shù)基中的投影系數(shù)的不透明度水平，其中所述至少一條射線(21)以場景的視點(20)為原點。本發(fā)明還涉及相應的設備。
【專利說明】用于估計場景中的不透明度水平的方法及相應的設備

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及合成圖像構建的領域，更具體地，涉及估計虛擬場景點處的陰影或估計虛擬場景點接收的光量的領域。還在現(xiàn)場(live)構建的特效環(huán)境中理解本發(fā)明。

【背景技術】
[0002]根據(jù)現(xiàn)有技術，存在用于生成由于源自面光源的光遮擋而引起的軟陰影的多種技術。這些技術之一稱為隨機方法，根據(jù)該隨機方法，在大量點光源中對面光源進行采樣。使用陰影映射或陰影體技術結合使用Z-緩沖區(qū)來計算針對每一點光源的硬陰影，以根據(jù)光源渲染場景。為獲得真實的陰影渲染并消除與光源采樣有關的量化缺陷，必須使用非常大量的采樣，這會導致不利于現(xiàn)場場景渲染的大量計算。另一種軟陰影渲染技術稱為PCSS (百分比接近軟陰影(Percentage-Closer Soft Shadow)),該技術基于對半影區(qū)域的寬度的估計與用于對陰影圖進行過濾的PCF(百分比接近過濾(Percentage CloseFiltering))核的尺寸的關系，其中，對半影區(qū)域的寬度的估計基于光源遮擋物的平均距離和接收光的點與光源之間的距離。該技術的缺點之一是，其限于平面，并且當PCF變大時計算代價高昂，這使得難以進行現(xiàn)場渲染。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的這些缺點中的至少一個。
[0004]更具體地，本發(fā)明的目的尤其在于優(yōu)化與虛擬場景的一個或多個點相關聯(lián)的不透明度(不透明)水平的真實和現(xiàn)場估計的必需計算。
[0005]本發(fā)明涉及一種用于估計場景的點處的不透明度的方法，所述場景被面光源照亮，所述場景包括遮擋所述光源發(fā)出的光中的一些的至少一個物體，所述遮擋物由網格定義。為了估計與場景的點相關聯(lián)的不透明度水平，所述方法包括以下步驟:
[0006]-在多個采樣點中對所述面光源進行采樣，
[0007]-對于所述多個采樣點中的至少一個采樣點并且對于所述遮擋物的從所述至少一個采樣點可見的至少一個第一網格單元，針對所述至少一個第一網格單元的每條邊均生成一個陰影面，
[0008]-根據(jù)與至少一條射線穿過的每個陰影面相關聯(lián)的法線和所述至少一條射線所形成的角度，基于對所述至少一條射線與所述至少一條射線穿過的陰影面之間的交點集合的不透明度加以表示的值來估計函數(shù)基中的投影系數(shù)，其中所述至少一條射線以所述場景的視點為原點并穿過所述場景，
[0009]-根據(jù)所估計的投影系數(shù)來估計對所述至少一條射線的點處的不透明度水平加以表不的值。
[0010]根據(jù)有利特征，所述投影系數(shù)是根據(jù)與所述至少一條射線穿過的所述陰影面相關聯(lián)的不透明度水平的加權和來估計的。
[0011]根據(jù)有利特征，當所述至少一條射線和與所述至少一條射線穿過的陰影面相關聯(lián)的法線所形成的角度大于90°時，所述不透明度水平沿著所述至少一條射線增加，并且當所述至少一條射線和與所述至少一條射線穿過的陰影面相關聯(lián)的法線所形成的角度小于90°時，所述不透明度水平沿著所述至少一條射線減小。
[0012]根據(jù)有利特征，當所述至少一條射線與陰影面具有交點時，所述不透明度水平增加或減小與所述面光源發(fā)出的總光量與采樣點的數(shù)量的比值相對應的值。
[0013]根據(jù)有利特征，生成陰影面包括:將所述至少一個第一網格單元細分為多個第二單元的步驟，所述陰影面是通過對所述第二單元進行幾何變形生成的。
[0014]根據(jù)有利特征，所述函數(shù)基是傅里葉基。
[0015]有利地，所述投影系數(shù)被存儲在至少一個投影紋理圖中。
[0016]本發(fā)明還涉及一種設備，被配置為估計場景的點處的不透明度，所述場景由面光源照亮，所述場景包括遮擋所述源發(fā)出的光中的一些的至少一個物體，所述物體由網格來定義，所述設備包括至少一個處理器，所述處理器被配置為:
[0017]-在多個采樣點中對所述面光源進行采樣，
[0018]-對于所述多個采樣點中的至少一個采樣點并且對于所述遮擋物的從所述至少一個采樣點可見的至少一個第一網格單元，針對所述至少一個第一網格單元的每條邊均生成陰影面，
[0019]-根據(jù)與至少一條射線穿過的每個陰影面相關聯(lián)的法線和所述至少一條射線所形成的角度，基于對所述至少一條射線與所述至少一條射線穿過的陰影面之間的交點集合的不透明度加以表示的值來估計函數(shù)基中的投影系數(shù)，其中所述至少一條射線以所述場景的視點為原點并穿過所述場景，
[0020]-根據(jù)所估計的投影系數(shù)來估計對所述至少一條射線的點處的不透明度水平加以表不的值。
[0021]有利地，當所述至少一條射線和與所述至少一條射線穿過的陰影面相關聯(lián)的法線所形成的角度大于90°時，所述不透明度水平沿著所述至少一條射線增加，并且當所述至少一條射線和與所述至少一條射線穿過的陰影面相關聯(lián)的法線所形成的角度小于90°時，所述不透明度水平沿著所述至少一條射線減小。
[0022]根據(jù)有利特征，當所述至少一條射線與陰影面具有交點時，所述不透明度水平增加或減小與所述面光源發(fā)出的總光量與采樣點的數(shù)量的比值相對應的值。
[0023]根據(jù)另一特征，所述至少一個處理器被進一步配置為:將所述至少一個第一網格單元細分為多個第二單元，所述陰影面是通過對所述第二單元進行幾何變形生成的。
[0024]本發(fā)明還涉及一種計算機程序產品，包括程序代碼指令，當所述程序在計算機上執(zhí)行時，所述程序代碼指令用于執(zhí)行用于估計場景的點處的不透明度的方法的步驟。
[0025]此外，本發(fā)明涉及一種計算機可讀存儲裝置，存儲指令集合，所述指令集合能夠由計算機執(zhí)行以執(zhí)行用于估計場景的點處的不透明度的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]通過閱讀以下描述，將更好地理解本發(fā)明并且其他具體特征和優(yōu)點將顯現(xiàn)，描述參考附圖，在附圖中:
[0027]-圖1示出了根據(jù)本發(fā)明特定實施例的由面光源照亮并包括產生軟陰影的遮擋物的場景1，
[0028]-圖2示出了根據(jù)本發(fā)明特定實施例用于估計沿著穿過圖1的場景的射線的不透明度函數(shù)的方法，
[0029]-圖3示出了根據(jù)本發(fā)明特定實施例的生成源自圖1的遮擋物的光照單元的陰影面，
[0030]-圖4示出了根據(jù)本發(fā)明特定實施例的根據(jù)圖2的方法獲得的兩個不透明度函數(shù)，
[0031]-圖5示出了根據(jù)本發(fā)明特定實施例的執(zhí)行用于估計在圖1的場景點處接收的光量的方法的設備，
[0032]-圖6示出了根據(jù)本發(fā)明特定實施例用于估計在圖1的場景點處接收的光量的方法。

【具體實施方式】
[0033]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的特定而非限制性的實施例的由面光源10照亮的虛擬場景1，也就是說(與一個點光源相反)由形成表面或體的多個點進行照亮。場景I中包括也稱為遮擋物的不透明度物體11，其遮住了面光源10發(fā)出的至少一些光。因而場景I物體的表面12的區(qū)域120位于遮擋物11的投影110中，也就是說該區(qū)域120未從面光源10接收到光。表面12的其他兩個區(qū)域121和122 (稱作半影區(qū))位于部分照亮的部分111和112中，即，這些區(qū)域121和122僅接收到面光源10發(fā)出的一些光。這些半影區(qū)121和122接收到的光量不均勻，距離陰影區(qū)120越遠的點比最接近陰影區(qū)120的點接收更多的光。因而在半影區(qū)121和122中出現(xiàn)半影梯度，其中當點位于位于陰影區(qū)120附近時，不透明度水平更強，換句話說，隨著分隔半影區(qū)121和122的點的距離的降低，所接收的光量會越來越低。這些半影區(qū)對應于軟陰影區(qū)，也就是說，從陰影到光源的路徑是漸變的區(qū)域。與位于半影區(qū)122中的點P 13相關聯(lián)的暗度或亮度取決于例如由可視立體角131與遮擋立體角132形成的比值?？梢暳Ⅲw角131對應于面光源10的參與照亮點P 13的部分，也即面光源的發(fā)出光未被遮擋物11遮擋并到達點P 13的部分。遮擋立體角132對應于面光源10的未參與照亮點P 13的部分，也即面光源的發(fā)出光被遮擋物11遮擋而未到達點P13的部分。根據(jù)一個變型，與點P 13相關聯(lián)的亮度取決于可視立體角131。根據(jù)另一個變型，與點P 13相關聯(lián)的暗(遮擋)度僅取決于遮擋立體角132。對于陰影區(qū)120中的點，可視立體角為零并且亮度為零，也即該點從面光源10直接接收的光量為零。因而暗(遮擋)度最大，例如等于100%的黑暗或遮擋。表面12的區(qū)域123對應于表面12的照亮區(qū)，也即包括從整個面光源10接收光的點的區(qū)域，也即對這些點來說，面光源10所發(fā)出的光完全沒有被遮擋物11遮擋。
[0034]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明特定而非限制性的實施例用于估計場景I的點(例如位于半影區(qū)中的點)處的亮度或遮擋度的方法。在等同于點或者點光源的多個采樣點101、102、103(例如8、16、32或64個采樣點)中對面光源10進行采樣。遮擋物11由其上表面2001 (也就是面向光源并且完全或部分地阻擋面光源10發(fā)出的光的部分)表示。有利地，通過包括形成網格的多個第一單元的網格(例如多邊形，如三角形、或平行六面體(parallelepiped))對遮擋物進行建模。根據(jù)本領域技術人員已知的任何方法對遮擋物進行建模，例如多邊形建模(其中將模型等同為多邊形集合，每個多邊形由組成它的頂點和邊的列表來定義)、NUBRS (非均勻有理基本樣條)類型(其中通過對表面建模進行細分由經由控制點或“控制頂點”創(chuàng)建的曲線集合定義模型)等等。對于面光源的每一個采樣點101、102、103，針對遮擋物的每個第一網格單元的每一條邊生成陰影面。這些陰影面的一個部分在圖2的橫截面中表示并且對應于平面2001、2002、2003、2004、2005、2006和2007。
[0035]圖3示出了陰影面301、302、303，其是根據(jù)多個面光源采樣點中的采樣點101通過遮擋物的與三角形相對應的第一網格單元30的三條邊生成的。每個陰影面由三角形30的邊之一和兩條直線段來定義，這兩條直線段以所考慮的光源采樣點101為原點并通過三角形30的屬于所考慮的邊的兩個頂點。每個陰影面對應于邊的輪廓，并采用平行六面體的形式，其是由例如兩個三角形定義的。為了定義與由光源采樣點照亮的三角形30相關聯(lián)的陰影面，經證實需要6個三角形(針對三個陰影面301、302和303中的每一個需要兩個三角形)。按照定義，三角形30本身也形成陰影面，因此需要7個三角形來定義與光源采樣點101照亮的第一網格單元相關聯(lián)的陰影面。如果考慮由具有N個光源采樣點的集合來照亮該第一網格單元(該情形中為三角形)，則需要7XN個三角形來定義與該第一網格單元相關聯(lián)的陰影面。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的一個有利變型，在多個第二網格單元(例如7個第二單元)(例如在多個三角形中)對第一網格單元進行細分或采樣。通過圖形卡渲染管線的細化(tessellat1n)單元或細化著色器級(shader stage)來有利地實現(xiàn)對第一網格單元的細分，以實時(on the fly)和現(xiàn)場生成這些第二網格單元。因此，通過使用合適的幾何函數(shù)對這些第二網格單元中的每一個進行幾何畸變，以形成與第一網格單元相關聯(lián)的陰影面。如果第一網格單元對應于第一三角形，并被細分為7個第二三角形，則對第二三角形之一進行幾何畸變以形成第一三角形。從而剩余6個第二三角形用于通過幾何變形形成與第一三角形相關聯(lián)的陰影面301、302、303 (針對每個陰影面有兩個第二三角形)。通過圖形卡的渲染管線的幾何著色器級/單元來有利地執(zhí)行幾何變形處理。該變型的優(yōu)點是，受益于圖形卡的渲染管線(具體地，細化和幾何著色器級/單元)的并行和現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理能力，這可以降低存儲表示由輪廓擴展生成的陰影面的參數(shù)的存儲器要求(如先前的段落中所解釋的)。由于大量要處理的數(shù)據(jù)，這些參數(shù)一般是由CPU “中央處理單元”型的微處理器計算的，由CPU執(zhí)行的計算引起的參數(shù)被存儲在RAM中，并且需要很大的存儲空間。根據(jù)該有利變型，所有計算由GPU “圖形處理單元”來執(zhí)行，這提供了以下優(yōu)點:現(xiàn)場生成陰影面，并且限制存儲器的要求。
[0037]當生成圖2中所示的陰影面2001至2007 (其與第一網格單元的邊相關聯(lián)，并根據(jù)面光源的采樣點101至103產生的)時，確定一方面這些陰影面2001至2007與另一方面射線21、22之間的交點，其中射線21、22最初具有根據(jù)場景I確定的視點20并且穿過場景
I。第一射線21具有與陰影面2001 (其與由遮擋物的面向面光源的第一網格單元所定義的陰影面相對應)的第一交點210、與陰影面2004的第二交點211和與表面12 (等同于由表面12的網格單元的表面定義的陰影面，由于表面12遮擋了光源10發(fā)出的光，因此表面12對應于第二遮擋物)的第三交點212，有利地，通過覆蓋光源10以及半影區(qū)和陰影區(qū)的方式自動地確定視點20。根據(jù)一個變型，視點20是用戶可調參數(shù)。
[0038]根據(jù)射線21、22與陰影面12、2001至2007的交點并且根據(jù)表示與每個陰影面12、2001至2007相關聯(lián)的不透明度的值，沿著每條射線確定不透明度函數(shù)。不透明度函數(shù)是表示沿著射線的不透明度變化的函數(shù)。不透明度函數(shù)O(X)有利地通過函數(shù)基來表示，例如傅里葉函數(shù)基?？紤]到不透明度水平根據(jù)沿著射線21或22的區(qū)間[0，DfflaJ變化，可以通過傅里葉余弦函數(shù)基以如下方式表達不透明度函數(shù):

【權利要求】
1.一種用于估計場景(I)的點(13)處的不透明度的方法，所述場景(I)被面光源(10)照亮，所述場景包括遮擋所述面光源(10)發(fā)出的光中的一些的至少一個物體(11)，該遮擋物(11)由網格定義，其特征在于，所述方法包括以下步驟: -在多個采樣點(101、102、103)中對所述面光源(10)進行采樣(61)， -對于所述多個采樣點(101、102、103)中的至少一個采樣點(101)并且對于所述遮擋物(11)的從所述至少一個采樣點(101)可見的至少一個第一網格單元(30)，針對所述至少一個第一網格單元(30)的每條邊均生成￠2) —個陰影面(301、302、303)， -根據(jù)與至少一條射線(21)穿過的每個陰影面相關聯(lián)的法線和所述至少一條射線(21)所形成的角度，基于對所述至少一條射線(21)與所述至少一條射線(21)穿過的陰影面之間的交點(210、211、212)集合的不透明度加以表示的值，來估計(63)函數(shù)基中的投影系數(shù)，其中所述至少一條射線(21)以所述場景的視點(20)為原點并穿過所述場景， -根據(jù)所估計的投影系數(shù)來估計出4)對所述至少一條射線上的點處的不透明度水平加以表示的值。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述投影系數(shù)是根據(jù)與所述至少一條射線(21)穿過的所述陰影平面相關聯(lián)的不透明度水平的加權和來估計的。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于，當所述至少一條射線(21)和與所述至少一條射線(21)穿過的陰影面(2001)相關聯(lián)的法線所形成的角度大于90°時，所述不透明度水平沿著所述至少一條射線(21)增加，并且當所述至少一條射線(21)和與所述至少一條射線穿過的陰影面(2004)相關聯(lián)的法線所形成的角度小于90°時，所述不透明度水平沿著所述至少一條射線(21)減小。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，當所述至少一條射線與陰影面具有交點時，所述不透明度水平增加或減小與所述面光源(10)發(fā)出的總光量與采樣點的數(shù)量的比值相對應的值。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，生成所述陰影面包括:將所述至少一個第一網格單元(30)細分為多個第二單元的步驟，所述陰影面(301、302、303)是通過對所述第二單元進行幾何變形生成的。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，所述函數(shù)基是傅里葉基。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述投影系數(shù)被存儲在至少一個投影紋理圖(201)中。
8.一種設備(5)，被配置為估計場景的點處的不透明度，所述場景由面光源照亮，所述場景包括遮擋所述源發(fā)出的光中的一些的至少一個物體，所述物體由網格來定義，其特征在于，所述設備包括至少一個處理器，所述處理器被配置為: -在多個采樣點中對所述面光源進行采樣， -對于所述多個采樣點中的至少一個采樣點并且對于所述遮擋物的從所述至少一個采樣點可見的至少一個第一網格單元，針對所述至少一個第一網格單元的每條邊均生成陰影面， -根據(jù)與至少一條射線穿過的每個陰影面相關聯(lián)的法線和所述至少一條射線所形成的角度，基于對所述至少一條射線與所述至少一條射線穿過的陰影面之間的交點集合的不透明度加以表示的值，來估計函數(shù)基中的投影系數(shù)，其中所述至少一條射線以所述場景的視點為原點并穿過所述場景， -根據(jù)所估計的投影系數(shù)來估計對所述至少一條射線上的點處的不透明度水平加以表示的值。
9.根據(jù)權利要求8所述的設備，其中，所述投影系數(shù)是根據(jù)與所述至少一條射線(21)穿過的所述陰影平面相關聯(lián)的不透明度水平的加權和來估計的。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的設備，其特征在于，當所述至少一條射線和與所述至少一條射線穿過的陰影面相關聯(lián)的法線所形成的角度大于90°時，所述不透明度水平沿著所述至少一條射線增加，并且當所述至少一條射線和與所述至少一條射線穿過的陰影面相關聯(lián)的法線所形成的角度小于90°時，所述不透明度水平沿著所述至少一條射線減小。
11.根據(jù)權利要求10所述的設備，其特征在于，當所述至少一條射線與陰影面具有交點時，所述不透明度水平增加或減小與所述面光源發(fā)出的總光量與采樣點的數(shù)量的比值相對應的值。
12.根據(jù)權利要求8至11中任一項所述的設備，其特征在于，所述至少一個處理器被進一步配置為:將所述至少一個第一網格單元細分為多個第二單元，所述陰影面是通過對所述第二單元進行幾何變形生成的。
13.一種計算機程序產品，其特征在于，所述計算機程序產品包括程序代碼指令，當所述程序在計算機上執(zhí)行時，所述程序代碼指令用于執(zhí)行根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的方法的步驟。
14.一種計算機可讀存儲裝置，存儲指令集合，所述指令集合能夠由計算機執(zhí)行以執(zhí)行根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的方法。
【文檔編號】G06T15/60GK104205173SQ201380017135
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月28日 優(yōu)先權日:2012年3月29日
【發(fā)明者】帕斯卡·高特隆, 帕斯卡·雷高克, 讓-歐德斯·馬維 申請人:湯姆遜許可公司