CN114219885A - 一种用于移动终端的实时阴影渲染方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于移动终端的实时阴影渲染方法和装置，该方法实现了三维场景中对象的局部特写，通过对特定目标对象的遍历，获取了涉及自阴影的子几何体，并生成了这些子几何体的最小包围盒，通过该方式剔除了场景中无用的几何体生成了较为紧凑的投影矩阵，降低了无效空间在阴影贴图上的空间占比的同时提高了阴影渲染的效率，适合于移动终端上的3D应用。

Description

一种用于移动终端的实时阴影渲染方法和装置

技术领域

本申请涉及计算机图形渲染技术领域，特别涉及一种用于移动终端的实时阴影渲染方法和装置、计算设备和计算机可读存储介质。

背景技术

在移动终端的3D应用中，当对特定目标，例如对游戏角色进行特写时，会对目标进行高质量的实时效果渲染。现有技术通常使用阴影贴图技术和质量加强版的级联阴影技术，渲染出来的阴影效果往往会存在锯齿、模糊、失真等问题；同时，在移动终端中的阴影贴图分辨率也不能过大，更加重了这种特定场合下的阴影质量问题。因此需要一种高质量的阴影生成技术，同时对硬件资源的要求不高，以适应移动终端的该应用场景。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种用于移动终端的实时阴影渲染方法和装置、计算设备和计算机可读存储介质，以解决现有技术中存在的技术缺陷。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种用于移动终端的实时阴影渲染方法，包括：

确定待渲染的目标对象；

遍历所述目标对象，得到产生自阴影的子几何体，根据所述每个子几何体的空间和尺寸信息生成各自的包围盒；

合并所述子几何体的包围盒，形成一个最小包围盒；

根据所述最小包围盒、灯光位置和方向计算投射阴影需要的阴影深度图的变换矩阵，并渲染得到阴影的高精度深度纹理；

根据所述阴影深度图的变换矩阵以及高精度深度纹理，渲染出阴影效果。

根据本申请实施例的第二方面，提供了一种用于移动终端的实时阴影渲染装置，包括：

确定模块，用于确定待渲染的目标对象；

生成模块，用于遍历目标对象，得到产生自阴影的子几何体，根据每个子几何体的空间和尺寸信息生成各自的包围盒；

合并模块，用于合并该子几何体的包围盒，形成一个最小包围盒；

计算模块，用于根据该最小包围盒、灯光位置和方向计算投射阴影需要的阴影深度图的变换矩阵，并渲染得到阴影的高精度深度纹理；

渲染模块，用于根据阴影深度图的变换矩阵以及高精度深度纹理，渲染出阴影效果。

根据本申请实施例的第三方面，提供了一种计算设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机指令，所述处理器执行所述指令时实现所述用于移动终端的实时阴影渲染方法的步骤。

根据本申请实施例的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现所述用于移动终端的实时阴影渲染方法的步骤。

本申请实施例中，在对目标进行渲染时，对目标对象进行遍历，获取了涉及自阴影的子几何体，并实时生成了这些子几何体的最小包围盒，通过该方式减小了生成深度纹理时所需要使用的投影矩阵，降低了无效空间在阴影贴图上的空间占比的同时提高了阴影渲染的效率，实现了在移动终端的三维应用场景中，目标对象的高质量子阴影渲染效果。

附图说明

图1是本申请实施例提供的计算设备的结构框图；

图2是本申请实施例提供的用于移动终端的实时阴影渲染方法的流程图；

图3是本申请实施例提供的在移动终端的三维场景中对目标对象进行特写的一示意图；

图4是本申请实施例提供的在目标对象上形成自阴影的一示意图；

图5是本申请实施例提供的对目标对象的子几何体形成最小包围盒的一示意图；

图6是本申请实施例提供的对多个目标对象进行合并的示意图；

图7a是根据现有技术对目标对象渲染得到的子阴影的一示意图；

图7b是根据本申请实施例提供的实时阴影渲染方法对目标对象渲染得到的子阴影的一示意图；

图8是本申请实施例提供的用于移动终端的实时阴影渲染装置的结构示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

在本申请一个或多个实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请一个或多个实施例。在本申请一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本申请一个或多个实施例中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请一个或多个实施例中可能采用术语第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请一个或多个实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“响应于确定”。

在本申请中，提供了一种用于移动终端的实时阴影渲染方法及装置、计算设备和计算机可读存储介质，在下面的实施例中逐一进行详细说明。

图1示出了根据本申请一实施例的计算设备100的结构框图。该计算设备100的部件包括但不限于存储器110和处理器120。处理器120与存储器110通过总线130相连接，数据库150用于保存数据。

计算设备100还包括接入设备140，接入设备140使得计算设备100能够经由一个或多个网络160通信。这些网络的示例包括公用交换电话网(PSTN)、局域网(LAN)、广域网(WAN)、个域网(PAN)或诸如因特网的通信网络的组合。接入设备140可以包括有线或无线的任何类型的网络接口(例如，网络接口卡(NIC))中的一个或多个，诸如IEEE802.11无线局域网(WLAN)无线接口、全球微波互联接入(Wi-MAX)接口、以太网接口、通用串行总线(USB)接口、蜂窝网络接口、蓝牙接口、近场通信(NFC)接口，等等。

在本申请的一个实施例中，计算设备100的上述部件以及图1中未示出的其他部件也可以彼此相连接，例如通过总线。应当理解，图1所示的计算设备结构框图仅仅是出于示例的目的，而不是对本申请范围的限制。本领域技术人员可以根据需要，增添或替换其他部件。

计算设备100可以是任何类型的静止或移动计算设备，包括移动计算机或移动计算设备(例如，平板计算机、个人数字助理、膝上型计算机、笔记本计算机、上网本等)、移动电话(例如，智能手机)、可佩戴的计算设备(例如，智能手表、智能眼镜等)或其他类型的移动设备，或者诸如台式计算机或PC的静止计算设备。计算设备100还可以是移动式或静止式的服务器。

现有技术中，主流的游戏引擎通过渲染灯光空间的阴影贴图来生成对应场景阴影，在移动终端上，受限于硬件资源以及阴影贴图的精度，阴影的渲染质量不高。虽然可以进一步通过划分场景空间生成对应的级联阴影，但针对局部的自阴影和要求阴影精度极高的场合，级联阴影技术并不适合，无法满足质量要求。级联阴影(Cascaded ShadowMapping)是用来提高阴影贴图精度的阴影技术，是进行大型场景阴影渲染的有效方法，距离灯光位置不同区域需要不同分辨率的阴影贴图，越接近灯光需要的贴图分辨率越高，将灯光空间划分成多个子区域，每个子区域分别绘制阴影贴图。但在局部特写的情况下，采用级联阴影技术多存在阴影效果有锯齿、模糊、失真等问题。

在本申请实施例中，为了解决上述问题，提出了用于移动终端的实时阴影渲染方法和装置、计算设备和计算机可读存储介质。其中处理器120可以执行图2所示的用于移动终端的实时阴影渲染方法中的步骤。图2中示出了用于移动终端的实时阴影渲染方法的流程图，包括步骤202至步骤210。

步骤202：确定待渲染的目标对象。

在一种具体的实施方式中，在游戏场景中通常会对某些特定的对象，如游戏角色、道具、景物等进行局部的特写，在进行局部特写时通常需要高质量的阴影渲染效果来实现优秀的用户体验，如图3所示，在近距离对游戏角色进行特写时，角色的服装、装饰、头发等元素会在身体上产生阴影效果。在该步骤中，在渲染开始时，确定待进行局部特写的目标对象，如一个或多个游戏角色、装备等等。

步骤204：遍历目标对象，得到产生自阴影的子几何体，根据每个子几何体的空间和尺寸信息生成各自的包围盒。

在一种具体的实施方式中，场景中的目标对象由多个子几何体组成，如图4所示，目标对象T由子几何体a、b、c组成。本领域技术人员应当知晓，实际应用中的目标对象通常由多个复杂的子几何体组成，图4中的示例仅用于说明和解释本实施例的实现方式，并非将目标对象局限于简单几何体的组成方式。

遍历目标对象，得到产生自阴影的子几何体，该自阴影为目标对象自身产生的遮挡在自身形成的阴影效果，如图4中的自阴影所示。

在一种具体的实施方式中，产生自阴影的子几何体既包括遮挡了光线的子几何体，也包括由于该遮挡产生的阴影所投射到的子几何体，如图4所示，目标对象T中遮挡了光线的子几何体为几何体a，自阴影所投射到的子几何体为几何体b。因此在该实施方式中，遍历目标对象T得到的子几何体包括：几何体a和b。

进一步的，根据遍历得到的每个子几何体的信息生成各自的包围盒。如图5所示，根据AABB包围盒算法获得每个子几何体的六面体包围盒。本领域技术人员应当知晓，包围盒算法包括多种类型，图5中的AABB包围盒仅仅为示例而非穷举，在此不再赘述。

在另一种具体的实施方式中，当需要进行局部特写的目标对象有多个时，将多个目标对象进行合并，如图6所示。

进一步的，使用多个目标对象的最小包围盒将多个目标对象进行合并，将对象间的阴影通过合并的方式转换为单个目标对象上的子阴影。

步骤206：合并该子几何体的包围盒，形成一个最小包围盒。

在一种具体的实施方式中，在渲染的过程中，实时对上述子几何体的包围盒进行合并，形成最小包围盒。如图5所示，采用了AABB包围盒的方式，所形成的最小包围盒类似于平行直六面体。进一步的，本领域技术人员应当知晓，可以根据子几何体的具体包围盒算法，形成球形体，或胶囊体或者是其它多面体的最小包围盒，在此不再赘述。

在该步骤中，通过形成的最小包围盒过滤了目标对象上大多数没有产生自阴影的的几何体，提高了渲染的效率。

步骤208：根据该最小包围盒、灯光位置和方向计算投射阴影需要的阴影深度图的变换矩阵，并渲染得到阴影的高精度深度纹理。

在一种具体的实施方式中，阴影深度图的变换矩阵的计算主要包括如下步骤：

步骤2082：设置深度图空间变换矩阵m_ShadowSpaceMatrix。

m_ShadowSpaceMatrix.SetRow(0,new Vector4(0.5f,0.0f,0.0f,0.5f))；

m_ShadowSpaceMatrix.SetRow(1,new Vector4(0.0f,0.5f,0.0f,0.5f))；

m_ShadowSpaceMatrix.SetRow(2,new Vector4(0.0f,0.0f,0.5f,0.5f+db))；

m_ShadowSpaceMatrix.SetRow(3,new Vector4(0.0f,0.0f,0.0f,1.0f))；

采样深度图的坐标u,v在[0,1]区间，因此在矩阵中通过[-1,1]*0.5+0.5的计算，把区间[-1,1]映射到符合采样深度图的[0,1]区间。

步骤2084：设置光源空间投影矩阵m_ShadowProjMat；

获得最小包围盒各节点的世界坐标；

var aabbBounds＝GetAABBCorners(m_Bounds)；

将最小包围盒各节点的世界坐标转换为光照空间的坐标，通过比较，获得xyz三个方向上的最小最大值。

根据三个方向上的最小最大值，计算x，y，z方向的尺寸，并增加boundScale系数，动态调整阴影的产生范围。

float xSize＝(xMax-xMin)/2*boundScale；

float ySize＝(yMax-yMin)/2*boundScale；

float zSize＝(zMax-zMin)；

float nearPlane＝0.1f；

并设置光源摄像机的大小、远***面、投影矩阵等参数。

camera.orthographicSize＝ySize；

camera.nearClipPlane＝nearPlane；

camera.farClipPlane＝zSize+nearPlane；

camera.projectionMatrix＝Matrix4x4.Ortho(-xSize,xSize,-ySize,ySize,nearPlane,zSize+nearPlane)；

计算和设置光源摄像机的世界空间位置。

Vector3 cameraPosition＝new Vector3((xMax+xMin)/2,Mathf.Lerp(yMin,yMax,yOffset),zMin-nearPlane)；

cameraPosition＝lightTransform.localToWorldMatrix.MultiplyPoint(cameraPosition)；

camera.transform.SetPositionAndRotation(lightTransform.localToWorldMatrix.MultiplyPoint(cameraPosition),lightTransform.rotation)；

得到光源空间的投影矩阵。

Var m_ShadowProjMat＝camera.projectionMatrix；

步骤2086：设置世界空间转光源空间矩阵m_WorldToCameraMatrix。

m_WorldToCameraMatrix＝camera.worldToCameraMatrix；

步骤2088：将深度图空间变换矩阵、光源空间投影矩阵、世界空间转光源空间矩阵相乘，得到阴影深度图的变换矩阵。

m_ShadowMatrix＝m_ShadowSpaceMatrix*m_ShadowProjMat*m_WorldToCameraMatrix；

进一步的，根据上述光源空间摄像机的位置等信息，直接渲染得到阴影的高精度深度纹理。

步骤210：根据阴影深度图的变换矩阵以及高精度深度纹理，渲染出阴影效果。

在该步骤中，利用阴影深度图的变换矩阵将世界空间的点坐标转换到深度纹理图空间，然后对高精度深度纹理进行采样计算阴影并渲染。

在一种具体的实施方式中，在渲染阴影时使用阴影过滤算法实现软阴影的功能。在该实施方式中，使用泊松随机分布偏移阴影图采样坐标，采样8个阴影值，并取平均。

通过该方式产生的软阴影更加的柔和和逼真。

在另一种具体的实施方式中，通过采样4个阴影值取平均的方式来实现软阴影的渲染。

进一步的，渲染阴影时也支持硬阴影的渲染，对硬阴影，直接采样1个阴影值进行渲染。

attenuation＝SAMPLE_TEXTURE2D_SHADOW(ShadowMap,sampler_ShadowMap,shadowCoord.xyz)；

在上述用于移动终端的实时阴影渲染方法的实施例实现了三维场景中对象的局部特写，通过对特定目标对象的遍历，获取了涉及自阴影的子几何体，并生成了这些子几何体的最小包围盒，通过该方式剔除了场景中无用的几何体生成了较为紧凑的投影矩阵，也减小了生成深度纹理时所需要使用的投影矩阵，降低了无效空间在阴影贴图上的空间占比的同时提高了阴影渲染的效率，适合于移动终端上的3D应用。图7(a)示出了示出了使用传统CSM技术渲染的自阴影效果，图7(b)示出了使用本申请实施例的方法渲染的自阴影效果，使用本申请实施例的方法在局部特写的自阴影渲染效果上明显好于传统CSM技术。

与上述方法实施例相对应，本申请还提供了一种用于移动终端的实时阴影渲染装置的实施例，图8示出了本申请一个实施例的一种用于移动终端的实时阴影渲染装置的结构示意图。如图8所示，该装置包括：

确定模块，用于确定待渲染的目标对象；

生成模块，用于遍历目标对象，得到产生自阴影的子几何体，根据每个子几何体的空间和尺寸信息生成各自的包围盒；

合并模块，用于合并该子几何体的包围盒，形成一个最小包围盒；

计算模块，用于根据该最小包围盒、灯光位置和方向计算投射阴影需要的阴影深度图的变换矩阵，并渲染得到阴影的高精度深度纹理；

渲染模块，用于根据阴影深度图的变换矩阵以及高精度深度纹理，渲染出阴影效果。

上述为本实施例的一种用于移动终端的实时阴影渲染装置的示意性方案。需要说明的是，该用于移动终端的实时阴影渲染装置的技术方案与上述的用于移动终端的实时阴影渲染方法的技术方案属于同一构思，用于移动终端的实时阴影渲染装置的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述用于移动终端的实时阴影渲染方法的技术方案的描述。

本申请一实施例中还提供一种计算设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机指令，所述处理器执行所述指令时实现所述的用于移动终端的实时阴影渲染方法的步骤。

上述为本实施例的一种计算设备的示意性方案。需要说明的是，该计算设备的技术方案与上述的用于移动终端的实时阴影渲染方法的技术方案属于同一构思，计算设备的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述用于移动终端的实时阴影渲染方法的技术方案的描述。

本申请一实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如前所述用于移动终端的实时阴影渲染方法的步骤。

上述为本实施例的一种计算机可读存储介质的示意性方案。需要说明的是，该存储介质的技术方案与上述的用于移动终端的实时阴影渲染方法的技术方案属于同一构思，存储介质的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述用于移动终端的实时阴影渲染方法的技术方案的描述。

上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

所述计算机指令包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上公开的本申请优选实施例只是用于帮助阐述本申请。可选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本申请的内容，可作很多的修改和变化。本申请选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本申请的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本申请。本申请仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种用于移动终端的实时阴影渲染方法，其特征在于，包括：

确定待渲染的目标对象；

遍历所述目标对象，得到产生自阴影的子几何体，根据所述每个子几何体的空间和尺寸信息生成各自的包围盒；

合并所述子几何体的包围盒，形成一个最小包围盒；

根据所述最小包围盒、灯光位置和方向计算投射阴影需要的阴影深度图的变换矩阵，并渲染得到阴影的高精度深度纹理；

根据所述阴影深度图的变换矩阵以及高精度深度纹理，渲染出阴影效果。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述产生自阴影的子几何体包括遮挡了光线的子几何体和由于该遮挡产生的阴影所投射到的子几何体。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述最小包围盒包括但不限于使用如下算法形成的最小包围盒：AABB包围盒、包围球、包围胶囊体、方向包围盒OBB、固定方向凸包FDH或其他用于剔除无用几何体的多面体。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述根据所述最小包围盒、灯光位置和方向计算投射阴影需要的阴影深度图的变换矩阵包括：

设置深度图空间变换矩阵；

设置光源空间投影矩阵；

设置世界空间转光源空间矩阵；

将深度图空间变换矩阵、光源空间投影矩阵、世界空间转光源空间矩阵相乘，得到阴影深度图的变换矩阵。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述渲染得到阴影的高精度深度纹理包括：

根据所述最小包围盒的节点坐标值设置光源摄像机的各个参数，渲染得到光源空间的高精度深度纹理。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，当目标对象有多个时，用最小包围盒将所述多个目标对象进行合并。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述渲染出阴影效果包括：

采用阴影过滤算法，同时渲染出软阴影和硬阴影效果。

8.一种用于移动终端的实时阴影渲染装置，其特征在于，包括：

确定模块，用于确定待渲染的目标对象；

生成模块，用于遍历目标对象，得到产生自阴影的子几何体，根据每个子几何体的空间和尺寸信息生成各自的包围盒；

合并模块，用于合并该子几何体的包围盒，形成一个最小包围盒；

计算模块，用于根据该最小包围盒、灯光位置和方向计算投射阴影需要的阴影深度图的变换矩阵，并渲染得到阴影的高精度深度纹理；

渲染模块，用于根据阴影深度图的变换矩阵以及高精度深度纹理，渲染出阴影效果。

9.一种计算设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机指令，其特征在于，所述处理器执行所述指令时实现权利要求1-7任意一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现权利要求1-7任意一项所述方法的步骤。

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