[发明专利]一种基于GPU并行计算的实时阴影生成方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于图形学领域，特别是涉及到一种基于GPU并行计算的实时阴影生产方法及系统。

背景技术

近年来，计算机图形学有了较大的发展，在游戏，虚拟现实，电影特效制作等多个方向有了非常广泛的应用，伴随着应用需求的不断增加，人们对真实感图形的需求也与日俱增。实现真实感图形生成包含很多方面，其中阴影是比较难的一方面。进来随着GPU以及CPU能力不断增强，尤其是显卡的不断进步，使得原来由CPU处理的大部分数据改由GPU处理，并在硬件上实现了部分通用功能，如变化与光照计算等，从而大大提升了处理能力，使真实感渲染方法逐步得到广泛应用。

阴影方法作为真实感渲染领域极其重要的组成部分，目前阴影方法主要包括扫描线方法、细节多边形方法(两次消隐方法)、影域多边形方法(shadow volumes)、阴影映射(shadow mapping)、Z-buffer方法、光线跟踪方法、辐射度方法等。而在交互式3D应用中使用最多的是阴影映射及其改进方法。这一方法及其改进方法在游戏、虚拟现实、医学成像、电影制作等领域都有着越来越广泛的应用。

在未来计算机硬件性能不断提升的过程中，真实感渲染方法势必将向着高速、实时、现实方向发展。其中必然对阴影生成方法有着更高的要求。因此在这一方向的研究是具有极高应用价值的。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，提出一种基于GPU并行计算的实时阴影生成方法。本发明的目的之二在于根据目的一的方法，提出一种基于GPU并行计算的实时阴影生成系统。

为了实现发明目的一，采用的技术方案如下：

以光源视点渲染场景保存物体深度信息；将深度信息做一次函数变换；存储变换后的深度信息；用GPU对深度信息并行滤波；以视点渲染场景，得到物体与光源的距离；对距离值做函数变换；将变换后的深度值和距离值相乘，得到当前渲染点的阴影值信息；利用此阴影值信息渲染场景，最终得到平滑阴影效果。

为了实现发明目的二，采用的技术方案为：

一种基于GPU并行计算的实时阴影生成系统，包括新的阴影映射贴图生成模块、GPU并行处理阴影映射贴图模块以及阴影贴图生成实时阴影的渲染模块。

所述新的阴影映射贴图生成模块包括深度采集子模块、生成连续函数阴影贴图子模块。

所述GPU并行处理阴影映射贴图模块包括GPU阴影图载入子模块、GPU并行滤波子模块。

所述阴影贴图生成实时阴影的渲染模块包括连续函数阴影贴图阴影映射贴图还原子模块、阴影生成子模块。

新的阴影映射贴图生成模块，收集场景物体到光源的深度信息后，用连续函数将深度信息做一次映射，利用映射后的值生成阴影贴图。

将阴影贴图送入GPU阴影图载入子模块，包含如下3个步骤的处理：

将原始图像分割成大小相同的小块；将每个小块读入GPU的处理单元的内存；将读入后的数据边缘部分进行扩展。

如果是图像最外层边界用0进行扩展，扩展行数根据滤波阶数而定；如果是图像内部分块边界，用相邻行或列数据复制补齐扩展，扩展行数根据滤波阶数而定。

将扩展后的数据送入GPU并行滤波子模块，包括如下3个步骤的处理：

每个处理单元同时读入补齐扩展后的数据；每个处理单元用滤波核对数据进行乘加滤波运算；将运算后的结果写入公共内存区，并等待线程同步后返回结束信号。

之后进入连续函数阴影贴图阴影映射贴图还原子模块和阴影生成子模块。

映射贴图还原子模块对距离值做函数变换；将变换后的深度值和距离值相乘，得到当前渲染点的阴影值信息。送入阴影生成子模块，利用此阴影值信息渲染场景，最终得到平滑阴影效果。

本发明的优点在于阴影生成速度快，边缘平滑。在场景中有多个光源情况下比一般的方法能有效提高阴影生成速度50％以上。在复杂场景的渲染应用需求中具有极大优势。

附图说明

图1为本发明的基于GPU并行计算的实时阴影生成系统框架示意图；

图2为本发明的基于GPU并行计算的实时阴影生成方法的流程图；

图3为阴影图载入子模块流程图；

图4为GPU并行处理阴影映射贴图流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。