[发明专利]一种高效精确的通用软阴影生成方法

说明书

技术领域

本发明属于精确软阴影的技术领域，具体涉及一种高效精确的通用软阴影生成方法。

背景技术

在现实世界中，阴影无处不在。对于三维虚拟场景，阴影有利于人们判断场景中物体的空间相对位置关系，有利于增强场景的真实感，有利于增强场景的沉浸感。虽然许多成熟的阴影生成算法已成功地应用在游戏，动画以及虚拟现实系统中，然而各个算法都有其优缺点和适用情况。要生成适用性好、鲁棒性强、高质量、像素级别精确的动态阴影仍然是一个巨大的挑战。

Eisemann等人于2003年在“Casting Shadows in Real Time”以及Hasenfratz等人于2009年在调研类文章“A Survey of Real-time Soft Shadows Algorithms”中全面和深入地罗列了现有的软阴影绘制方法。这些方法大致可分成两类：基于图像空间的方法与基于几何空间的方法。基于图像空间的方法主要有阴影图方法，将3-D场景投影到光源处，保存场景的深度信息到Z缓存中，以此来判断像素的可见性。Guennbaud等人于2006年在“Real-time Soft Shadow Mapping by Backprojection”和Yang等人于2010年在“Variance Soft Shadow Mapping”以及Shen等人于2011年在“Predicted Virtual Soft Shadow Maps with High Quality Filtering”中提出的方法均属于此类方法范涛。基于几何空间的方法主要包括半影楔方法和基于阴影体的方法等，这类方法则是直接判断出3-D空间的可见性来判定全影和半影区域。Moller、Assarsson于2002年在“Approximate Soft Shadows on Arbitrary Surfaces using Penumbra Wedges”和Johnson等人于2009年在“Soft irregular shadow mapping:fast,high-quality，and robust soft shadows”中以及Forest等人于2009年在“Soft Textured Shadow Volume”中提出的方法均属于此类方法范涛。本发明使用了三角形阴影体方法，因此是一种基于几何空间的方法。

基于准确性，软阴影方法又可以分成以下三类：阴影模拟方法，阴影近似方法，以及精确阴影方法。阴影模拟方法的半影区域通常是从硬阴影经过过滤得到的。比如，Fernando等人于2005年在“Percentage-closer soft shadows”以及MohammadBagher等人于2010年在“Screen-space Percentage-Closer Soft Shadows”所提出的方法对硬阴影的边缘进行了模糊后得到模拟的软阴影。阴影模拟此类方法的特点是快速，因此这类方法主要应用在对性能要求较高的应用中。但是，此类方法生成的软阴影不是基于可见度估计的，并且相当多情况下会生成错误的结果。

阴影近似方法近似地估计出遮挡几何体以加速可见性查询。例如，背向投影的方法使用阴影图来近似地估计遮挡体。Guennebaud等人于2006年在“Real-time Soft Shadow Mapping by Backprojection”中使用背向投影到光源成像面的阴影图样本来估算采样像素对面光源的可见度。在使用了光滑轮廓检测和径向区域积分的方法后背向投影所生成的软阴影被改进得更精确和更快速。Schwarz和Stamminger于2008年在“Microquad Soft Shadow Mapping Revisited”中近似地将阴影图中的像素建模成小四边形和小三角形，提高了生成的阴影质量。以上的这些方法均是依赖单张的阴影图来近似地建模遮挡体。启发式的算法也被引入用以解决生成的阴影中存在的缝隙，这将生成更加准确的遮挡体轮廓。Yang等人于2009年在“Packet-based Hierarchal Soft Shadow Mapping”中引入了多张阴影图来减少单一视点下存在的对于遮挡体的采样误差。但由于需要对每张阴影图中的像素连贯性进行分组并且计算每张阴影图的单一可见性因子，因此绘制的效率成了一个大问题。阴影近似这类方法生成的阴影是基于真实的可见度来计算的而且可以在近似地估计遮挡体的情况达到可交互的绘制帧率。本发明中所使用的方法不是采用近似的遮挡体估算，而是使用了位图掩码的方式来计算采样像素对面光源的可见度。