[发明专利]虚拟家装室内场景设计中的阴影渲染方法

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实领域，涉及一种虚拟环境中的实时阴影效果渲染方法。

背景技术

虚拟现实是人工构造的存在于计算机内部的环境，是一种高级的人机界面。三维虚拟家装室内的场景效果图将虚拟现实技术运用到了家装领域。通过对家装室内场景进行照片级的真实感渲染使得用户产生置身于相应的真实环境中的感觉。顾客也可运用此技术体会装修后的效果，给人们的购房和装修带来了很大的便利，具有较大的市场前景。

阴影作为影响三维场景真实感的重要因素，可以为场景提供空间的几何信息，有助于理解物体间的相互位置关系和大小，利用投射阴影可以决定物体在空间中的位置，反映空间物体的细微信息和位置关系。三维图形中阴影不仅能增加画面的层次感和变化感，突出模型之间的对比度，还能使整个场景色调丰富，有效地表现场景中各个物体的轮廓。在家装室内虚拟场景中加入效果柔和的阴影无疑是大有裨益的。

从物理角度来分析，由于光线在传播路径上被不透明物体阻挡从而产生阴影。从计算机图形学角度来看，若从场景中的一点P看不到光源，那么点P就处在阴影中。这是因为光源发出的光不能到达P点，也就是说阴影是眼睛可以看到而光源看不到的区域。因而它对于判断物体的空间关系、形状特征(如：遮挡物，接受体的几何特征)以及其与光源的距离等信息而言有着不可替代的作用。

按照光源模型的不同，又能产生软阴影(soft shadow)与硬阴影(hard shadow)。当仅存在一个点光源的照射下时场景中的点只有在阴影中或在阴影之外两种状态，这种简单的情况就是硬阴影。这种阴影只有在一个点光源的照射下才可能存在，然而在现实中却并不多见，这使得硬阴影降低了图像的真实感。如果光源是比较大的发光体，当不透明体遮住光源时所产生的影子就有两部分，完全暗的部分叫本影(umbra)，半明半暗的部分叫半影(penumbra)。本影与半影构成了整个阴影，这种阴影真实感强，被称为软阴影。真实的物理世界中并不存在理想的点光源，物体与物体之间存在着无穷无尽的反射。因此，在虚拟环境中运用软阴影将比硬阴影得到更好的渲染效果。

众所周知，有光源和遮挡物，就可能产生阴影。在计算机图形学中，光照模型可以分为全局光照模型和局部光照模型。局部光照模型只计算直接光照下几何物体表面每个像素点上的光亮度和色彩；而全局光照模型不仅具备局部光照模型的功能，还可以完整的计算出光反射所引起的间接照明作用。基于全局的光照模型的阴影方法大多是基于球面调谐函数以及基于小波变换的方法，构思巧妙，但是计算复杂，需要对场景进行预计算。最近研究者提出了一种基于预计算辐射转换的技术，从而产生高质量的阴影。近年来，随着人们对照片级真实感场景的追求，提出了运用光测图对环境进行照明，使得场景具有镜面反射、折射、漫反射等各种复杂光照的特性。

早期的局部光照模型方法主要是针对几何光照，也就是局部光照提出来的，分别是：Crow于1977年提出的阴影体(Shadow Volumes)方法和Williams于1978年提出的阴影映射图(Shadow Maps)方法。阴影体方法基于物体的几何形状，它不能处理没有多边形结构的物体的阴影计算；同时由于绘制阴影体需要很高的填充率，因此该方法不适合复杂动态场景的实时阴影绘制。阴影映射图方法基于图像空间采样技术，对场景中的物体没有特殊的要求，并且方法的执行效率与物体的几何复杂度无关，所以该方法非常适用于复杂三维室内场景的实时阴影绘制。但是阴影映射图方法存在走样问题。当在光栅图形显示器上绘制非水平且非垂直的直线或多边形边界时，或多或少会呈现锯齿状或台阶状外观。这是因为直线或多边形是连续的，而光栅则是由离散的点组成，在光栅显示设备上表现直线或多边形必须在离散位置采样。由于采样不充分导致重建后的信息失真，这就是走样问题。针对阴影映射图方法的走样问题，Reeves提出了百分比渐进滤波方法(Percentage-Closer Filtering)，该方法主要对深度距离值比较的结果进行滤波，取得了一定的成果，但是该方法需要很多次采样才能降低噪声，带来了很大的计算量。

本发明以虚拟家装软件为应用平台，通过增加室内场景的阴影来提高软件渲染的真实感。基于环境的映射技术是近年来比较热门的全局光照模型，它通过运用包含场景材质光照信息的图片对场景进行照明，真实感强烈。局部光照虽然真实感逊于全局光照，但是计算量少，实时性好。考虑到虚拟家装设计软件的实时性要求，本发明设计了一种虚拟家装室内场景阴影渲染方法。