CN116188663A - 一种基于pbr的烘焙渲染方法及装置 - Google Patents

一种基于pbr的烘焙渲染方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种基于PBR的烘焙渲染的方法及装置，其中，在该方法中，根据需求完成各种类型的PBR材质，不再局限于开发工具的默认效果；进而联合模型的网格边界，计算模型在相机中显示的合理尺寸，并将相机的当前帧渲染到帧缓冲对象FBO上存储为第一纹理贴图，完成渲染效果的烘焙。在使用烘焙后的纹理进行渲染时，对待渲染模型生成新的材质，在自定义的着色器中，根据模型上新的UV坐标对第一纹理进行采样，完成渲染。而且在自定义的着色器中的只采样一次贴图，复杂性大大降低，实现了在不改变渲染效果的前提下，提高了静态场景的渲染性能，减少了设备功耗。

Description

一种基于PBR的烘焙渲染方法及装置
技术领域
本申请涉及计算机技术领域，特别涉及一种基于PBR的烘焙渲染方法及装置、计算设备和计算机可读存储介质。
背景技术
在现有技术中，在应用中采用实时PBR(Physically Based Rendering)技术对三维模型进行渲染是常见的，它使得创作的三维模型更加真实，但是实时PBR技术需要大量的计算和多次的采样贴图，对硬件设备的性能要求较高，在一些低端设备上发热严重，导致设备降频、卡顿，用户体验下降，因此亟需一种方案该解决该问题，使得PBR技术能够适用于各种配置的硬件设备。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种基于PBR的烘焙渲染方法及装置、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，提供了一种基于PBR的烘焙渲染方法，包括：
构建PBR材质，完成模型的PBR渲染配置；
调整所述模型在观察空间上的显示大小，将相机的当前帧渲染到帧缓冲对象上存储为第一纹理贴图；
修改待渲染模型网格的UV坐标，将所述UV坐标替换为屏幕坐标；
针对所述待渲染模型生成新的材质，根据所述第一纹理贴图以及所述UV坐标完成所述待渲染模型的渲染。
根据本申请实施例的第二方面，提供了一种基于PBR的纹理烘焙装置，包括：
构建单元，用于构建PBR材质，完成模型的PBR渲染配置；
调整单元，用于调整所述模型在观察空间上的显示大小；
烘焙单元，用于将相机的当前帧渲染到帧缓冲对象上存储为第一纹理贴图；
编辑单元，用于修改待渲染模型网格的UV坐标，将所述UV坐标替换为屏幕坐标；
渲染单元，用于针对所述待渲染模型生成新的材质，根据所述第一纹理贴图以及所述UV坐标完成所述待渲染模型的渲染。
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基于PBR的烘焙渲染方法的步骤。
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基于PBR的烘焙渲染方法的步骤。
本申请实施例中，在生成模型材质时根据需求完成各种类型的PBR材质，完成实时PBR渲染，不再局限于开发工具的默认效果；进而联合模型的网格边界，计算模型在相机中显示的合理尺寸，并将相机的当前帧渲染到帧缓冲对象FBO上存储为第一纹理贴图，完成渲染效果的烘焙。在使用烘焙后的纹理进行渲染时，对待渲染模型生成新的材质，在自定义的着色器中，根据模型上新的UV坐标对第一纹理进行采样，完成渲染。在自定义的着色器中的只采样一次贴图，复杂性大大降低，实现了在不改变渲染效果的前提下，提高了静态场景的渲染性能，减少了设备功耗。
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一种基于PBR的烘焙渲染方法示意图；
图3是本申请实施例提供的一种模型在观察空间中的示意图；
图4是本申请实施例提供的一种调整后的模型在观察空间中的示意图；
图5是本申请实施例提供的一种基于实例化技术的对象渲染装置的一结构示意图。
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，提供了一种基于实例化技术的对象渲染方法及装置、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。
在现有技术中，PBR(Physically Based Rendering)基于物理的渲染，是一种着色和渲染技术，用于更精确的描述光如何与模型表面互动,由于其高度的易用性以及方便的工作流，已经被电影和游戏业界广泛使用。但是，实时的进行PBR渲染需要进行大量的光线计算，对硬件设备的配置要求较高，低端的设备难免出现卡顿、发热的现象。虽然在各个开发引擎中存在相关的解决方案，如Unity开发引擎下的PBR烘焙方案Lightmaping，但Lightmaping只会烘焙阴影、直接光漫反射和间接光漫反射，不会烘焙各种光源的镜面反射，效果有所缺失；而且Lightmaping中的计算过程和采样贴图次数依旧不是最优，对于静态的模型的渲染还是有很多浪费，因此对于静态的三维场景来说，PBR的烘焙方案还有进一步优化的空间。
因此，在本申请实施例中，为了解决上述问题，提出了一种基于PBR的烘焙渲染方法，参见图2，图2示出了根据本申请一实施例提供的一种基于PBR的烘焙渲染方法的流程图，包括步骤202至步骤208。
步骤202：构建PBR材质，完成模型的PBR渲染配置。
在一种可行的实施方式中，在工具中针对待烘焙的模型，使用符合PBR规范的着色器和纹理构建PBR材质，完成渲染配置。
具体的，根据渲染的需求，通完成PBR的材质构建，包括但不限于基础颜色、法线、金属度粗糙度、AO环境遮罩等着色器属性，并将各类属性与相应的贴图进行关联，完成待烘焙模型的PBR渲染配置。
步骤204：调整模型在观察空间上的显示大小，并将相机的当前帧渲染到帧缓冲对象上并存储为第一纹理贴图。
在一个可行的实施方式中，当步骤202的PBR配置完成后，对观察空间内的待烘焙模型进行进一步的处理。其中，观察空间也叫做相机空间(camera space)。观察空间的原点就是相机的位置，相机在哪里，观察空间原点就在哪里。
具体的，遍历场景中所有需要渲染的模型网格Mesh，将所有网格的顶点坐标从模型空间转换到观察空间中。
可选的，在观察空间下根据上述所有网格的顶点坐标求出上、下、左、右四个方向上的最大值。在观察空间中，坐标为原点是相机位置，如图3所示，各个顶点的坐标vs.xyzw含义为：
x[-精度范围上限，精度范围上限]：观察空间坐标x值，+x轴指向右方；
y[-精度范围上限，精度范围上限]：观察空间坐标y值，+y轴指向上方。
z[-精度范围上限，精度范围上限]：观察空间坐标z值，+z轴指向后方。
分别求出所有网格坐标中在+x，-x，+y和-y这四个方向上的最大值，根据上述四个点形成的矩形调整相机的朝向和剪裁面参数，使得该矩形在相机的剪裁面内最大化显示，如图4中预览窗口401所示，。
进一步的，创建帧缓冲对象FrameBufferObject，将相机的当前帧渲染到FrameBufferObject上并存储为纹理贴图，完成PBR渲染效果的烘焙。
FrameBufferObject为帧缓冲对象，用于离屏渲染缓冲,是一个可添加缓冲区的容器。在上述实施方式中，把一个纹理附加到FBO上，所有渲染命令会写入到纹理上，并且所有渲染操作的结果都会被储存为一个纹理贴图。由于FBO的特性，该纹理贴图基于屏幕的坐标。
步骤206：修改待渲染模型网格的UV坐标，将所述UV坐标替换为屏幕坐标。
在一种可行的实施方式中，在利用烘焙后的第一纹理进行模型的渲染时，为待渲染模型添加脚本，在脚本中对其网格的UV坐标进行修改，将网格的顶点与FBO生成的的第一纹理对应起来。
具体的，对待渲染模型的网格顶点坐标依次进行MVP矩阵转换后得到齐次坐标，进而获取其对屏幕坐标的映射，示例代码如下：
Figure BDA0003987732350000071
进而，对模型顶点的齐次坐标和相机生成的屏幕坐标做一一映射得到齐次坐标下的屏幕坐标；并将初始的模型UV坐标替换为该屏幕坐标，如下代码所示，其中w为齐次坐标系下的w分量。
point.x＝hcPoint.w；
hcPoint*＝0.5f；
uv2[j].x＝hcPoint.x+hcPoint.w；
uv2[j].y＝hcPoint.y*1+hcPoint.w；
uv3[j].x＝point.x；
uv3[j].y＝point.x；
renderMesh.uv2＝uv2； //保存第二套UV
renderMesh.uv3＝uv3； //保存第三套UV
其中，为了避免相机可能会旋转带来的UV贴图误差，使用了2套UV坐标，其中，UV2表示屏幕的平面坐标，UV3表示w分量，避免了使用一套UV坐标后相机旋转引起的不合理贴图问题。
步骤208：针对待渲染模型生成新的材质，根据第一纹理以及上述UV坐标完成所述待渲染模型的渲染。
在该步骤中，对待渲染模型生成新的材质，使用自定义着色器，并将烘焙得到的第一纹理赋给该材质。
具体的，生成新的材质对象后，将自定义的着色器和第一纹理贴图赋给该材质对象，
renderMaterialClone.shader＝this.replaceWithShader；//在新材质中替换新的shader
renderMaterialClone.SetTexture("_MainTex",bakedTexture)；//在新材质中将纹理替换为第一纹理贴图
其中，在该自定义Shader中，在顶点函数中将模型的顶点坐标转换到齐次坐标，并设置上述脚本中计算得到的UV2和UV3给转换后的顶点对象。
Figure BDA0003987732350000091
进一步，在片元函数中，根据上述UV2和UV3对第一纹理进行采样，进而完成整个待渲染模型的渲染。
Figure BDA0003987732350000092
在本申请的上述实施例中，为了实现基于PBR的静态渲染效果，使得各种配置的设备都能较好的实现PBR渲染，在生成模型材质时根据需求完成各种类型的PBR材质，完成实时PBR渲染，不再局限于开发工具的默认效果；进而联合模型的网格边界，计算模型在相机中显示的合理尺寸，并将相机的当前帧渲染到帧缓冲对象FBO上存储为第一纹理贴图，完成了PBR效果的烘焙。在使用烘焙后的纹理进行渲染时，先根据第一纹理的基于屏幕特性将待渲染模型的UV坐标替换为屏幕坐标，然后对待渲染模型生成新的材质，其中，在自定义的着色器中，根据上述新的UV坐标对第一纹理进行采样，从而完成待渲染模型的渲染，自定义的着色器中的代码复杂度大大降低且只采样一次贴图，实现了在不改变渲染效果的前提下，提高了静态场景的渲染性能，减少了设备功耗。
与上述方法实施例相对应，本申请还提供了一种基于PBR的烘焙渲染装置的实施例，如图5所示，该装置包括：
构建单元，用于构建PBR材质，完成模型的PBR渲染配置；
调整单元，用于调整所述模型在观察空间上的显示大小；
烘焙单元，用于将相机的当前帧渲染到帧缓冲对象上存储为第一纹理贴图；
编辑单元，用于修改待渲染模型网格的UV坐标，将所述UV坐标替换为屏幕坐标；
渲染单元，用于针对所述待渲染模型生成新的材质，根据所述第一纹理贴图以及所述UV坐标完成所述待渲染模型的渲染。
上述为本实施例的一种基于PBR的烘焙渲染装置的示意性方案。需要说明的是，该装置的技术方案与上述的一种基于PBR的烘焙渲染方法的技术方案属于同一构思，该装置的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见上述一种基于PBR的烘焙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一种基于PBR的烘焙渲染方法的步骤。
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一种基于PBR的烘焙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，均可以参见上述一种基于PBR的烘焙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一种基于PBR的烘焙渲染方法的步骤。
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一种基于PBR的烘焙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，均可以参见上述一种基于PBR的烘焙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)

1.一种基于PBR的烘焙渲染方法，其特征在于，包括：
构建PBR材质，完成模型的PBR渲染配置；
调整所述模型在观察空间上的显示大小，将相机的当前帧渲染到帧缓冲对象上存储为第一纹理贴图；
修改待渲染模型网格的UV坐标，将所述UV坐标替换为屏幕坐标；
针对所述待渲染模型生成新的材质，根据所述第一纹理贴图以及所述UV坐标完成所述待渲染模型的渲染。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调整所述模型在观察空间上的显示大小包括：
遍历所有模型网格，将网格的顶点坐标从模型空间转换到观察空间；
求出所述顶点坐标在x和y方向上的最大值，根据所述最大值形成的矩形调整相机的朝向和剪裁面参数，使得所述矩形在相机的剪裁面内最大化显示。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述修改待渲染模型网格的UV坐标，将所述UV坐标替换为屏幕坐标包括：
在待渲染模型对应的脚本中将待渲染模型的网格顶点坐标转换到齐次坐标，并与相机生成的屏幕坐标进行映射得到齐次坐标下的屏幕坐标；
进而将所述待渲染模型的UV坐标替换为所述屏幕坐标。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述待渲染模型的UV坐标替换为所述屏幕坐标包括：
所述待渲染模型使用两套UV坐标，其中，UV2包括屏幕的平面坐标，UV3包括对应的齐次坐标下的w分量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，针对所述待渲染模型生成新的材质，根据所述第一纹理贴图以及所述UV坐标完成所述待渲染模型的渲染包括：
生成新的材质对象，将自定义着色器和所述第一纹理贴图赋给所述材质对象，通过所述自定义着色器完成所述待渲染模型的渲染。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述自定义着色器包括：
在顶点函数中，将所述待渲染模型的顶点坐标转换到齐次坐标，并将所述UV坐标设置给转换后的顶点对象；
在片元函数中，根据所述UV坐标对第一纹理贴图进行采样，进而完成整个待渲染模型的渲染。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述构建PBR材质，完成模型的PBR渲染配置包括：
根据需求通完成PBR的材质构建，包括但不限于基础颜色、法线、金属度粗糙度、AO环境遮罩等，并将各类材质与相应的贴图进行关联。
8.一种基于PBR的烘焙渲染装置，其特征在于，包括：
构建单元，用于构建PBR材质，完成模型的PBR渲染配置；
调整单元，用于调整所述模型在观察空间上的显示大小；
烘焙单元，用于将相机的当前帧渲染到帧缓冲对象上存储为第一纹理贴图；
编辑单元，用于修改待渲染模型网格的UV坐标，将所述UV坐标替换为屏幕坐标；
渲染单元，用于针对所述待渲染模型生成新的材质，根据所述第一纹理贴图以及所述UV坐标完成所述待渲染模型的渲染。
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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