[发明专利]用于虚拟环境的间接照亮过程

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2011年2月22日提交的美国专利申请号13/032,026的继续申请（代理人案卷号026340-009200US），为了所有目的其内容以全文引用的方式并入本文。

技术领域

总的来说，本发明涉及用于三维(3D)环境的计算机图形处理，包括对3D环境内的物体的照亮和着色。具体而言，提供了适合对逼真视频游戏中的物体上的间接光和阴影进行实时渲染的方法、系统和装置。

背景技术

近几年，视频游戏已变得更具沉浸感。其常常包含三维环境，玩家在三维环境内探索、战斗以及玩。这种3D环境允许玩家朝他或她本人选择的方向看，从三个维度看到并操纵物体。

3D环境还用于电视、电影以及其它预录制格式中。这种预录制介质可讲故事、图解记录片或教育观众。3D环境的其它用途包括使工件、空间和布局可视化的计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)。总之，3D环境在实时交互和预录制非交互格式中常常是有用的。

对于最新的视频游戏，消费者常常要求并期望看起来逼真的3D虚拟环境。虚拟环境的逼真和复杂不仅可实现出于销售目的而吸人眼球的绚丽多彩的图像，还增加了游戏性。微妙的视觉线索（比如，与avatar面部的斑驳颜色混合并反射的天空的色调）允许玩家无需研究手册便可判断表情并捕捉情感。这些从自然界得到的线索是直观的。此外，几乎察觉不到间接照亮线索可帮助警告来自背后或头顶的危险。即便是在对其没有任何先前经验的世界中面对危险时，用户可无意识地使用间接照亮调整自己以评定并对情况作出反应。

尽管近几年在处理能力和3D算法方面已经有很大提高，但是传送看起来逼真的3D图像会是一个很艰难的过程。对于预录制介质，比如电影和电视而言，不需要对3D环境进行实时渲染。可早在将其显示给公众之前的制作时对其进行渲染。然而，对于观众在其内选择想要往哪看以及操纵什么的视频游戏而言，3D环境常常要求实时渲染。有时据称视频游戏与电影相似，但是视频游戏是逐帧实时渲染。

传送逼真3D的高端方法（比如，射线跟踪）需要强大的处理能力，以至利用如今的消费者技术，无法合理地将该方法用于实时渲染快动作视频游戏。低级渲染方法（其使用近似法和视觉特技）以处理能力换取质量和逼真。然而，即便是低级渲染方法有时也努力以与当代游戏系统相关的帧速率渲染3D环境。例如，在当代视频游戏系统中，每秒六十帧的帧速率(fps)常常是玩游戏顺畅的标准。如果游戏设计者在设计算法时不小心，则被渲染物体可发生弹出或不连续的跳跃。当在复杂的场景中一次渲染许多3D物体时，这可尤为明显。

对立体3D显示的渲染使对帧速率的要求基本加倍。必须对场景进行两次渲染，一次针对右眼，一次针对左眼。一百二十赫兹是3D显示的共用频率，因此可以每秒六十帧的速率渲染每一个眼睛视图。

本领域存在对用于渲染视频游戏和预录制格式中的3D环境的更好更快的算法的需求。

发明内容

总体而言，提供了以3D虚拟环境中的背景投射的间接光照亮物体的方法、系统和装置。3D环境的‘世界视图’可被格式化为全景360度的图像，比如立方体贴图。对于3D环境中的每一个物体，根据特定物体的视角/位置将世界视图立方体贴图从位置和格式上变换为3D视图的纬度-经度贴图。然后，利用余弦（漫射）卷积使每一个物体的纬度-经度贴图模糊。得出的模糊纬度-经度贴图很好地近似从每个方向照射物体的所有间接光。然后，将得出的模糊纬度-经度贴图再转换并降低采样成与其各个物体相关的‘模糊’立方体贴图。然后，将模糊立方体贴图用于渲染其各个物体上的间接光。间接光可包括菲涅耳、粗糙反射光、正常光和其它间接光。

分离的地面平面图像（比如描绘整个球场的那些）可立方体贴图一起使用以创建纬度-经度贴图。地面平面图像可用于渲染草、泥土和球场线，而立方体贴图可用于渲染露天看台、记分板和天空。

虽然本文的许多实例是在运动风格视频游戏的环境下示出球场，但是应理解本文示教的算法、系统和装置适用于其它视频游戏、电影、CAD程序和其它格式。

为了帮助从立方体贴图至纬度-经度贴图的变换（然后再变换回来），变换向量矩阵被存储颜色图像。例如，在由欧几里德坐标(x、y、z)表示的三维空间中，特定像素的x-向量变换可由红色表示，y-向量可由绿色表示，Z-向量可由蓝色表示。