[发明专利]一种基于表面信号拟合和曲面细分的着色器简化方法、装置及图形渲染方法

说明书

技术领域

本发明涉及图形渲染技术领域，尤其涉及一种基于表面信号拟合和曲面细分的着色器简化方法、装置及图形渲染方法。 

背景技术

着色器替代了传统的固定渲染管线，可以实现3D图形学计算中的相关计算，由于其可编辑性，可以实现各种各样的图像效果而不用受显卡的固定渲染管线限制。这极大的提高了图像的画质。最新的GPU流水线提供了5个着色器，着色器自顶向下依次为顶点着色器(Vertex Shader)、外壳着色器(Hull Shader)、域着色器(Domain Shader)、几何着色器(Geometry Shader)和像素着色器(Fragment Shader)。所有的着色器按功能可以分为3类。第一类着色器是顶点着色器，处理顶点信息，将顶点的空间位置投影在屏幕上，即计算顶点的二维坐标。第二类着色器是几何处理着色器，包括外壳着色器、域着色器和几何着色器，他们计算并输出新的几何图元。第三类是像素着色器，其输入为插值后的几何属性，输出为像素的颜色值。所有的着色器都是完全可编程的，并且允许灵活的实时渲染效果的定制。 

但是，着色器的计算速度很大程度上依赖于程序员的经验。尽管有一些规则和工具集来处理交互式建模和着色器程序优化，整个渲染过程仍然耗时。一般地，最耗时的渲染计算都在像素着色器部分，因此以前的方法主要的目标都在优化像素着色器的计算。Pellacini提供了一个用户可配置的着色器简化方法来进行逐像素的过程建模。程序生成一系列由原始着色器逐步简化生成的着色器。该方法通过对着色器的代码应用指定的简化规则来生成一系列的候选变种，然后评估变种与原始着色器之间度量的差来选择具有最小误差的候选变种。这种选择过程一直循环直到最后的着色器成为了常量。Sitthi-amorn使用遗传编程来自动简化渲染过程。与Pellacini类似，该算法同样计算一系列逐步简化的 着色器，但考虑了更多的代码变换规则，包括代码中表达式语句中操作数与操作符的交换、语句的删除和语句的插入等，同时该方法使用遗传算法来选取更多的简化后的着色器，并且也能生成更快的和更可靠的结果。 

Pellacini的方法受限于很少的代码转换规则，会漏掉很多的优化结果。虽然Sitthi-amorn的方法增加了更多的代码转换规则，但是该方法仅仅只是对像素着色器的表达式简化，并没有考虑到整个的渲染流程。 

从信号处理的角度来看，生成一个表面上的视觉效果就相当于表面上的信号生成，建模和重构。在渲染中，图形学能广泛地表示许多类型的信号：颜色，纹理映射，凹凸纹理，置换贴图，双向纹理函数，预计算的渲染和自传输纹理，等等。为了表示或近似表面的光照信号，主要有两种不同的方法。一个是调整表面使其适应信号，或者采样一个细粒度的网格然后简化网格来更好的表示给定的信号。另外一个使用基函数来表达这些信号，比如高阶的多项式函数，无网格的稀疏径向基函数，或者数据分解的基函数。因为着色器输入的限制，网格的重组近似对于着色器的优化来说显得不切实际。我们提出了一个使用高阶的多项式函数来近似着色器生成的图元上的表面信号，这个近似方法在图形学中有广泛的使用。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于表面信号拟合和曲面细分的着色器简化方法、装置及图形渲染方法。 

一种基于表面信号拟合和曲面细分的着色器简化方法，待简化的原始着色器包括原始顶点着色器和原始像素着色器，包括： 

(1)设定若干组细分参数，按照每一组细分参数对待渲染模型进行细分，得到相应的细分模型； 

(2)从原始像素着色器的函数中选择若干个变量或表达式作为拟合目标，针对每一个拟合目标，分别生成与各个细分模型对应的拟合器，所述的拟合器用于对该拟合目标在当前细分模型中对应的细分图元上生成的表面信号进行拟合，并根据拟合结果计算该拟合目标在当前细分模型中对应的细分图元上的取值； 

(3)根据原始顶点着色器生成顶点着色器、几何着色器，针对任意一个 细分模型，根据该细分模型对应的细分参数生成一个细分着色器，并从当前细分模型对应的所有拟合器中选择若干个替换原始像素着色器中对应的变量或表达式得到修正像素着色器，并将该修正像素着色器与顶点着色器、几何着色器以及当前细分模型对应的细分着色器组合得到相应的修正着色器，并以各个修正着色器作为简化着色器。