[发明专利]一种基于过渡光贴图的光照和阴影绘制方法

说明书

技术领域

本发明涉及大规模地形实时绘制技术，基于过渡光贴图的光照和阴影绘制技术。是一种高效的纹理实时计算和绘制方法，属于计算机图形学、虚拟现实技术领域。

背景技术

纹理是计算机图形学绘制的一个重要研究内容，纹理映射可以在不增加模型复杂度的情况下，使细节更加丰富，场景更加真实。从视觉成像的角度来讲，影响成像的因素中，除了纹理本身，还有纹理受到的光照情况。由于光照条件的不同，相同的纹理可能表现的是截然不同的图像效果。对于大规模地形绘制来说，光线主要来自太阳光。由于太阳的相对运动等因素的影响，地形纹理明暗的变化非常明显，需要耗费大量的资源进行光照计算，以合成符合光照的更具真实感的场景。

当前实现场景光照有两种方法：一种是实时光照计算法，另一种是光照纹理贴图法。实时光照计算方法是在绘制时计算目标点在光源照射下的亮度、颜色并实现绘制，其缺点是需要实时进行法向量和光照方程的计算，时间复杂度高。光照纹理贴图法是指在预处理中进行光照计算，并把计算结果保存成包含光照的纹理图形式。在绘制时采用纹理映射的方式直接得到光照颜色，由于不需要实时计算，速度很快，光照效果由光贴图纹理分辨率以及预计算中光照模型的选择决定，可以达到较高的清晰度。

但是与实时光照相比，光贴图方法的光照由预计算产生，在实时绘制时不能改变光照的位置和方向，在一些应用中存在着限制。为了解决光贴图无法模拟动态光照的问题，可以在预处理中计算太阳运动路径上多个位置的光贴图，绘制时采用纹理融合实现任意时刻光照的仿真。这种方法通过利用多纹理实现动态光源的仿真，但处理阴影时，多光贴图融合会产生半明半暗的伪阴影区，这是此类算法的一个重要缺陷。

发明内容

本发明提出一种阴影过渡光贴图方法，把阴影变化的时间信息存储到光贴图中，在绘制时，通过对比当前仿真时间和存储在过渡光贴图中的时间，获得仿真时间的光照亮度值，进行纹理映射，得到真实的光照阴影效果，既保证了光贴图快速、高清晰度的特点，又满足动态、实时逼真光照和阴影的要求，适合户外地形仿真的绘制。本质上是利用阴影过渡函数对阴影的时间变化进行逼近，以获取阴影图关键帧，并可以通过这些关键帧在最大限度上恢复原有的光照纹理图全部信息。

实现本发明的方法包括以下具体步骤：

(1)光照纹理图的计算：通过给定地形高程图、光源以及光照模型，计算环境的光照以及由于遮挡产生的阴影情况，获得带阴影信息的光照纹理图；

(2)阴影函数获取及平滑：通过地形某一点上不同时刻的阴影变化情况获得阴影函数，并对阴影函数进行平滑处理；

(3)阴影区段划分：按照平滑函数的特性，在区段划分数给定的条件下，按照最小误差的原则进行分段线性逼近；

(4)构造阴影过渡图：按照以上的划分，在采样点上根据采样点前后阴影状态的不同，提取不同参数，构造阴影过渡图；

(5)合成纹理光照图：在需要实时计算的时刻，根据所在时间段的关键帧信息以及时间段中的位置信息，插值生成带有阴影信息的纹理光照图。

其中，光照纹理图的计算、阴影函数构造及划分、关键帧的选取与阴影纹理光照图的生成方法分别为：

(1)、光照纹理图的计算

光照纹理图的计算首先要获得光源的方向，需要构造简单的弧形太阳运动轨迹即可，见图1。p为太阳运动轨迹中的一个位置，p’为在XOZ平面投影，θ为op’在与X轴夹角，为op与XOZ平面夹角。设太阳运动轨迹为θ∶0→π，通过仿真时间t在θ和范围内插值，可以求出任意时刻光线的方向(x，y，z)。

为减轻光照计算量，一般采用局部光照明模型。本算法采用phone光照模型计算地形模型顶点光照：

I＝I_aC_a+I_dC_dn·l+I_sC_s(n·h)ⁿ    (2)

其中I为最后的光亮度，I_a，I_d，I_s，分别表示泛光，漫反射和镜面高光的亮度。C_a，C_d，C_s，表示地表采样点处的泛光反射率，漫反射率和镜面反射率。n表示采用点法向方向，l表示光线方向，h表示视线和光线方向的角平分矢量。

阴影检测可以采用光跟踪的办法，从光源到纹理像素位置发射一条阴影线，测试与地形其他部分是否相交，判别是否为阴影。

(2)、阴影函数构造及划分