CN112233220B - 基于OpenSceneGraph的体积光生成方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents
基于OpenSceneGraph的体积光生成方法、装置、设备和存储介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及三维图形渲染的后期场景光影特效处理相关技术领域，具体涉及一种基于OpenSceneGraph的体积光生成方法、装置、设备和存储介质。其中所述方法包括：搭建延迟渲染框架、生成场景图/深度图；基于所述场景图和所述深度图，生成光源掩码图；剔除光源不在屏幕时的情景；基于所述掩码图，计算光线叠加处理效果，得到体积光；其中，所述体积光的计算和所述生成光源掩码图在一个pass中执行；通过预设算法进行体积光平滑处理；对体积光和所述场景图进行融合并输出最终场景。
Description
技术领域
本发明涉及三维图形渲染的后期场景光影特效处理相关技术领域，具体涉及一种基于OpenSceneGraph的体积光生成方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
长期以来，基于OpenSceneGraph的项目，大多应用于三维仿真项目的开发，虽然得益于OpenSceneGraph的场景管理和数据结构，但场景效果一直比较一般，没有比较绚丽的光感画面。因此，如何提升场景效果，成为当前比较重要的一个话题。
发明内容
有鉴于此，提供一种基于OpenSceneGraph的体积光生成方法、装置、设备和存储介质，以解决背景技术中的相关问题。
本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于OpenSceneGraph的体积光生成方法，包括：
搭建延迟渲染框架、生成场景图/深度图；
基于所述场景图和所述深度图，生成光源掩码图；
剔除光源不在屏幕时的情景；
基于所述掩码图，计算光线叠加处理效果，得到体积光；
通过预设算法进行体积光平滑处理；
对体积光和所述场景图进行融合并输出最终场景。
可选地，所述基于所述场景图和所述深度图，生成光源掩码图，包括
在禁用颜色缓冲区的深度写入功能的基础上，绘制场景光源和天空；
依照背景优先绘制的顺序，进行场景的绘制；
绘制完场景后，从所述深度图获取掩码颜色分量值中的red分量,此分量即为深度信息；
判断深度信息是否大于1,如果大于,则认为需要从原始场景中对应像素获取颜色,否则返回黑色。
可选地，所述剔除光源不在屏幕时的情景，包括：
将太阳在视图空间的深度信息的保存到屏幕坐标；
判断太阳的深度值是否小于35；
若小于，在认为光源不在屏幕，则无需处理体积光。
可选地，所述基于所述掩码图，计算光线叠加处理效果，得到体积光，包括：
用当前像素所处的纹理坐标和光源经过处理后投射到屏幕的归一化坐标相减,获取屏幕纹理偏移值；
将纹理偏移值除以采样次数,获取每次采样的纹理偏移步长；
以当前像素为起点，沿着光源的方向进行步进采样，并将每次采样的颜色值进行叠加；
采样结束后，将叠加得到的颜色值除以采样次数，获得当前像素的最终颜色；
执行对整个屏幕的采样后,便能产生沿着光源方向，向外辐射的光柱。
可选地，还包括：
控制所述体积光的强度大小。
可选地，所述控制所述体积光的强度大小，包括：
将像素的颜色值与一个因子相乘得到目标颜色值，以控制体积光的强弱程度；
所述因子，取值范围在[0，1]之间，当取0，表示没有体积光，取1，表示体积光最强。
可选地，所述通过预设算法进行体积光平滑处理，包括：
计算各个像素的纹理偏移坐标的长度为len；
使用当前像素的亮度颜色乘以(1-sin(len))得到目标亮度颜色，以进行平滑处理,获得离光源越远，光强会逐渐淡化和减弱。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于OpenSceneGraph的体积光生成装置，包括：
框架搭建模块，用于搭建延迟渲染框架、生成场景图/深度图；
掩码图生成模块，用于基于所述场景图和所述深度图，生成光源掩码图；
剔除模块，用于剔除光源不在屏幕时的情景；
计算模块，用于基于所述掩码图计算体积光；
平滑处理模块，用于通过预设算法进行体积光平滑处理；
融合模块，用于对体积光和所述场景图进行融合并输出最终场景。
第三方面，本发明实施例还提供了一种基于OpenSceneGraph的体积光生成设备，包括：
处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行如本申请第一方面所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法；
所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。
第四方面，本发明实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如本申请第一方面所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法中各个步骤。
本发明采用以上技术方案，首先搭建延迟渲染框架，生成场景图和深度图。之后基于延迟渲染框架、场景图和深度图快速生成掩码图，不需要独立pass进行渲染，可以与体积光计算放在一个pass中执行，常规算法实现需要先绘制一次没有贴图的场景和光源渲染，作为掩码图。对于场景渲染，没有太大的负载下降，同时提升了场景效果。在进行计算前，剔除光源不在屏幕时的情景。减少计算的量，进一步减少可能因为体积感的设置增加的负载。用于三维场景渲染的后期处理，增加光源对场景模型的渲染光感效果。
进一步的，在从属权利要求中可知，本申请提供的方案没有采用后期的高斯模糊处理(高斯模糊需要横向，纵向两个pass进行模糊处理)，而是采用了廉价的预设算法(即廉价的正弦函数：)进行简单平滑过渡，这又节省了两个渲染pass，渲染效率比常规做法提升一倍多。
附图说明
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于OpenSceneGraph的体积光生成方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一体积光示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于OpenSceneGraph的体积光生成装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于OpenSceneGraph的体积光生成设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
首先对本发明实施例的应用场景进行说明，OpenSceneGraph作为一个成熟的三维仿真引擎，底层调用OpenGL显示接口实现三维渲染，可以满足常规的各种渲染功能，并支持可编程渲染管线。它具有大量数据的管理能力，尤其对于海量数据的动态加载卸载，多视窗多通道显示技术有着明显优势，被广泛应用在三维GIS和飞行模拟仿真等领域。但在渲染效果方面，它的osgFX库中只是简单的引入了一些诸如模型高亮、凹凸贴图、各向异性贴图、立方体镜面高光等基础特效。对于场景画面效果也没有太大提升，需要更好的特效和渲染效果，需要自行设计开发。
散射是一种非常美丽的自然现象，在自然界中光穿过潮湿或者含有杂质的介质时产生散射，散射的光线进入人眼，让这些介质看起来像拢住了光线一样，也就是所谓的体积光。体积光效果，一般在三维游戏中比较常见。常见的实现方法有BillBoard贴片算法、径向模糊算法和光线追踪算法等，相对来讲，光线追踪以下主要介绍Ray-Marching的光线追踪算法实现。
实施例
图1为本发明实施例提供的一种基于OpenSceneGraph的体积光生成的流程图，该方法可以由本发明实施例提供的基于OpenSceneGraph的体积光生成设备来执行。参考图1，该方法具体可以包括如下步骤：
S101、搭建延迟渲染框架、生成场景图和深度图；
具体的，OpenSceneGraph下实现延迟光照，需要使用Camera对象内的FBO(FrameBuffer Object)创建离屏渲染对象，将三维场景先绘制到离屏的FBO对象中，通过纹理(Texture)对象，关联FBO的深度缓冲区(DepthBuffer)和颜色缓冲区(ColorBuffer)，获取离屏绘制的基础数据。
三维场景中的场景节点，作为该Camera的子节点，最终会将场景绘制到所关联的一个Texture对象中，以便用于后期处理的输入数据。
进一步的，还需要，创建后期处理相机
OpenSceneGraph中，可以通过一个独立相机，并设置属性为离屏模式，绘制一个和屏幕一样大小的四边形，作为后期处理的渲染几何体。在绘制该几何体时，在GPU上应用Shader进行处理算法。
S102、基于所述场景图和所述深度图，生成光源掩码图；
计算体积光需要通过原始场景渲染的图像和深度图，先计算出一张掩码图，过滤出光源信息。该掩码图作为计算光照的基础参数。
光源掩码图的主要处理步骤包括：
在禁用颜色缓冲区的深度写入功能的基础上，绘制场景光源和天空；
依照背景优先绘制的顺序，进行场景的绘制；即首先绘制后方的场景，之后绘制前面的场景，如此绘制，可以保证前方的场景覆盖后方的场景，位置场景原有的前后关系。
绘制完场景后，从所述深度图获取掩码颜色分量值中的red分量,此分量即为深度信息；
判断深度信息是否大于1,如果大于,则认为需要从原始场景中对应像素获取颜色,否则返回黑色。
如此，计算出一张掩码图，过滤出光源信息，作为计算光照的基础参数。
S103、剔除光源不在屏幕时的情景；
即：当太阳投影不在屏幕时，即场景中看不到太阳时，应该不去处理体积光。实际应用中，剔除光源不在屏幕时的情景可以在保证了体积光渲染的基础上，减少需要计算的数据，降低计算体积光时的负载。
具体的，将太阳在视图空间的深度信息的保存到屏幕坐标中，通过测试，发现深度值小于35时，不去处理体积光，可以很好的剔除掉光源不在屏幕的情况。
S104、基于所述掩码图计算体积光；
需要说明的是，体积光效果，一般在三维游戏中比较常见。常见的实现方法有BillBoard贴片算法、径向模糊算法和光线追踪算法等，相对来讲，光线追踪以下主要介绍Ray-Marching的光线追踪算法实现。
算法的基本思路是：
(1)沿着眼睛向场景发出许多条射线；
(2)截取落在体积光中的线段部分，并每次推进一定步长在线段中进行位置采样；
(3)做散射光强的计算，最终把所有结果加在一起，最终得到当前位置的光强。
如图2所示，因为我们要渲染的这种均匀物体并不是表面起的作用，而是在射线经过的路径上每个点都会对像素的颜色产生贡献。所以必须从起点开始，沿着射线每次推进一点，采样每个点的亮度，所经过的采样点上的亮度求和就是像素的最终颜色。通过一系列的采样，最终就会沿着光源位置为中心，向外散射出一条条长长地光柱。
具体的，一个体积光是由多个像素组成的；
用当前像素所处的纹理坐标和光源经过处理后投射到屏幕的归一化坐标相减,获取屏幕纹理偏移值；其中，屏幕纹理偏移值即光源经过处理后投射到屏幕的位置与像素所处位置之间的距离；
将纹理偏移值除以采样次数,获取每次采样的纹理偏移步长；
以当前像素为起点，沿着光源的方向进行步进采样，并将每次采样的颜色进行叠加；
采样结束后，再通过采样次数进行平均，获得当前点的最终颜色；
因为我们要渲染的这种均匀物体并不是表面起的作用，而是在射线经过的路径上每个点都会对像素的颜色产生贡献。所以必须从起点开始，沿着射线每次推进一点，采样每个点的亮度，所经过的采样点上的亮度求和就是像素的最终颜色。
但是实际中，为了减少负载，本申请提供的方案中。在光源与像素的之间均匀选取预设个点。计算选取的预设个点对像素的颜色产生的贡献。以代替射线上每个点对像素的贡献。
进一步的，执行对整个屏幕的采样后,便能产生沿着光源方向，向外辐射的光柱。
其中，所述体积光的计算和所述生成光源掩码图在一个pass中执行；
当然，以上处理流程只是简单生成了光柱效果，但还是需要改进。例如需要控制体积光的强弱程度；
具体的，通过对各个像素点计算后的颜色值，与一个因子相乘，可以简单的控制体积光的强弱程度，当因子，取值范围在[0，1]之间，当取0，表示没有体积光，取1，表示体积光最强。
S105、通过预设算法进行体积光平滑处理；
常规做法是通过额外的处理相机进行高斯模糊处理，但对场景渲染还是有一定资源开销。为了简单的模拟平滑，此处使用正弦函数进行平滑插值，并获取了比较明显的效果提升。
计算纹理偏移坐标的长度为len；
使用当前亮度颜色乘以(1-sin(len))进行平滑处理,获得离光源越远，光强会逐渐淡化和减弱。
S106、对体积光和所述场景图进行融合并输出最终场景。
先获取原场景图的颜色值，然后与体积光计算的颜色值相加,得到目标颜色值获取最终效果。
如此，本发明可用三维场景渲染的后期处理，增加光源对场景模型的渲染光感效果。在具体的渲染过程中，本发明实现了快速生成掩码，不需要独立pass进行渲染，可以与体积光计算放在一个pass中执行。同时，也没有采用后期的高斯模糊处理(高斯模糊需要横向，纵向两个pass进行模糊处理)，而是采用了廉价的正弦函数的方式进行简单平滑过渡，这又节省了两个渲染pass，渲染效率比常规做法提升一倍多；对于场景渲染，没有太大的负载下降，同时提升了场景效果。
基于本申请的第二方面，提供一种基于OpenSceneGraph的体积光生成装置，参照图3，包括：
框架搭建模,31，用于搭建延迟渲染框架、生成场景图/深度图；
掩码图生成模块32，用于基于所述场景图和所述深度图，生成光源掩码图；
剔除模块33，用于剔除光源不在屏幕时的情景；
计算模块34，用于基于所述掩码图计算体积光；
平滑处理模块35，用于通过预设算法进行体积光平滑处理；
融合模块36，用于对体积光和所述场景图进行融合并输出最终场景。
基于本申请的第三方面，提供一种基于OpenSceneGraph的体积光生成设备，参照图4包括：
处理器41，以及与所述处理器相连接的存储器42；
所述存储器42用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行如本申请任一实施例所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法；
所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。
基于本申请的第四方面，提供一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如本申请任一实施例所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法中各个步骤。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种基于OpenSceneGraph的体积光生成方法，其特征在于，包括：
搭建延迟渲染框架、生成场景图和深度图；
基于所述场景图和所述深度图，生成光源掩码图；
剔除光源不在屏幕时的情景；
基于所述掩码图，计算光线叠加处理效果，得到体积光；其中，所述体积光的计算和所述生成光源掩码图在一个pass中执行；
通过预设算法进行体积光平滑处理；
对体积光和所述场景图进行融合并输出最终场景；
其中，所述基于所述场景图和所述深度图，生成光源掩码图，包括
在禁用颜色缓冲区的深度写入功能的基础上，绘制场景光源和天空；
依照背景优先绘制的顺序，进行场景的绘制；
绘制完场景后，从所述深度图获取掩码颜色分量值中的red分量,此分量即为深度信息；
判断深度信息是否大于1,如果大于,则认为需要从原始场景中对应像素获取颜色,否则返回黑色。
2.根据权利要求1所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法，其特征在于，所述剔除光源不在屏幕时的情景，包括：
将太阳在视图空间的深度信息的保存到屏幕坐标；
判断太阳的深度值是否小于35；
若小于，在认为光源不在屏幕，则无需处理体积光。
3.根据权利要求1所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法，其特征在于，所述基于所述掩码图，计算光线叠加处理效果，得到体积光，包括：
用当前像素所处的纹理坐标和光源经过处理后投射到屏幕的归一化坐标相减,获取屏幕纹理偏移值；
将纹理偏移值除以采样次数,获取每次采样的纹理偏移步长；
以当前像素为起点，沿着光源的方向进行步进采样，并将每次采样的颜色值进行叠加；
采样结束后，将叠加得到的颜色值除以采样次数，获得当前像素的最终颜色；
执行对整个屏幕的采样后,便能产生沿着光源方向，向外辐射的光柱。
4.根据权利要求3所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法，其特征在于，还包括：
控制所述体积光的强度大小。
5.根据权利要求4所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法，其特征在于，所述控制所述体积光的强度大小，包括：
将像素的颜色值与一个因子相乘得到目标颜色值，以控制体积光的强弱程度；
所述因子，取值范围在[0，1]之间，当取0，表示没有体积光，取1，表示体积光最强。
6.根据权利要求3所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法，其特征在于，所述通过预设算法进行体积光平滑处理，包括：
计算各个像素的纹理偏移坐标的长度为len；
使用当前像素的亮度颜色乘以(1-sin(len))得到目标亮度颜色，以进行平滑处理,获得离光源越远，光强会逐渐淡化和减弱。
7.一种基于OpenSceneGraph的体积光生成装置，其特征在于，包括：
框架搭建模块，用于搭建延迟渲染框架、生成场景图/深度图；
掩码图生成模块，用于基于所述场景图和所述深度图，生成光源掩码图；
剔除模块，用于剔除光源不在屏幕时的情景；
计算模块，用于基于所述掩码图计算体积光；
平滑处理模块，用于通过预设算法进行体积光平滑处理；
融合模块，用于对体积光和所述场景图进行融合并输出最终场景；
其中，所述基于所述场景图和所述深度图，生成光源掩码图，包括
在禁用颜色缓冲区的深度写入功能的基础上，绘制场景光源和天空；
依照背景优先绘制的顺序，进行场景的绘制；
绘制完场景后，从所述深度图获取掩码颜色分量值中的red分量,此分量即为深度信息；
判断深度信息是否大于1,如果大于,则认为需要从原始场景中对应像素获取颜色,否则返回黑色。
8.一种基于OpenSceneGraph的体积光生成设备，其特征在于，包括：
处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行权利要求1-7任一项所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法；
所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-6任一项所述的基于OpenSceneGraph的体积光生成方法中各个步骤。
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