一种基于延迟着色的针织物实时渲染方法

本发明属于计算机图形，具体涉及一种基于延迟着色的针织物实时渲染方法。

背景技术：

1、随着计算机技术的快速发展，计算机辅助设计(cad，computer aided design)被广泛应用于服装领域。cad技术的快速发展不仅可以帮助设计者在生产过程中及时掌握服装设计动态，减少打样等生产工序，缩短生产流程，还可以帮助消费者在消费过程中实时获取产品信息。计算机图形学的不断发展促使服装设计的展示效果从二维平面转向三维立体，精确的三维渲染可以让使用者获得更具真实感的体验。

2、针织工艺以线圈为基本单元形成针织物，并且通过成圈、集圈、移圈等基本编织动作形成各式各样的复杂花型组织，因此线圈作为针织服装三维模型网面的基本单元，决定了针织服装三维仿真渲染的整体视觉保真度。

3、在传统的渲染方法中，渲染管线通常包括几个阶段：几何处理、光照计算和像素着色。然而，对于针织物这样由线圈相互嵌套形成的复杂材质，正向渲染方式往往无法有效地处理其自身的遮挡关系，不仅在光照计算上会浪费大量的运算时间，并且无法模拟光线的散射强度发生变化。因此，如何实现精确而实时地展现针织物的三维仿真渲染，成为服装cad和计算机图形学中的一个重要研究课题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决背景技术中所述问题，提出一种基于延迟着色的针织物实时渲染方法。通过opengl开发针织服装的实时渲染的技术方法，使用空间加速结构、视锥剔除技术对线圈型值点进行管理，以提高针织服装的实时渲染效率。利用延迟着色技术预渲染模型，并使用布林-冯光照模型，同时增加针织物阴影，环境光遮罩，进一步提升服装面料的真实感。

2、本发明的具体实现包括以下步骤：

3、步骤1，建立空间加速树，使用视锥剔除技术进行可见性剔除，排除不可见的针织物部分，减少渲染的计算量；

4、步骤2，将织物模型预渲染到g-buffer帧缓冲中，以便后续的光照、阴影计算和真实感渲染；

5、步骤3，创建深度帧缓冲，渲染深度立方体贴图，从而获得深度值，为后续延迟着色中的阴影计算提供基础；

6、步骤4，创建环境光遮罩帧缓冲，渲染ssao纹理，为后续的渲染过程提供环境光遮罩信息；

7、步骤5，计算光照、阴影、应用环境光遮罩因子，与针织物的位置、法线、颜色属性纹理进行混合，实现基于延迟着色的针织物实时渲染，并获得高质量、真实感的渲染结果。

8、进一步的，步骤1中，建立空间加速树，使用视锥剔除技术进行可见性剔除，具体方法如下：

9、首先，创建空间加速树，通过将场景中的针织物模型划分为一系列子区域，建立空间加速树的数据结构。这些数据结构可以有效地组织和管理模型的空间位置，以八叉树为例，其算法思路为：(1)设定递归终止条件，如节点对象数量阈值。(2)设定第一个立方体的尺寸(3)将针织物型值点存入叶子节点中。(4)当向八叉树中添加新的点时，该算法会递归地遍历整棵树，找到合适的叶节点来存储该点。若节点存储的点数已经超过了预设阈值，则该节点会被细分成八个子节点，并将原本存储在该节点的点重新分配到对应的子节点中。(5)该过程会一直递归执行，直到所有叶节点中存储的数据点数量不超过一个预设阈值为止。

10、接下来，确定视锥体，根据相机的位置和视角，在每一帧中确定视锥体，即相机视野内的可见区域。视锥体的透视投影矩阵计算方法如式(1)所示，

11、

12、式中，fov为视锥体视角，aspect为视锥体的纵横比，far和near为控制视锥体的远近裁剪平面到摄像机的距离，在确定以上参数后，构造出透视投影矩阵。

13、然后，进行视锥剔除，将视锥体与空间加速树进行相交测试，以确定哪些子区域完全位于视锥体之外，即不可见部分。这些子区域可以被完全剔除，因为其中的针织物模型是不可见的。首先需要将世界坐标pworld转换为投影坐标pprojection，计算方法如式(2)所示，

14、

15、在坐标转换后，使用法向量分别定义视锥体的六个平面，通过点乘计算子区域顶点与平面的距离，通过比较距离来确定子区域是否在视锥体内部或相交，如果循环结束后没有满足剔除条件的情况，则表示对象在视锥体内部或与之相交，该对象需要被渲染。

16、最后，精细化剔除，对于与视锥体相交的子区域，将视锥体与包围盒中的每个型值点进行相交测试，判断子区域中哪一部分位于视锥体之外，进一步剔除不可见的部分。

17、通过以上步骤，建立空间加速树并使用视锥剔除技术进行可见性剔除，可以排除不可见的针织物部分，减少渲染的计算量，从而实现更高效的实时渲染。这有助于提高针织物场景的渲染性能和交互性。

18、进一步的，步骤2中，在可见的针织物模型数据被送入顶点缓冲对象中后，将织物模型预渲染到g-buffer帧缓冲中，具体方法如下：

19、首先，创建一个g-buffer帧缓冲，用于存储织物模型的预渲染数据。g-buffer是一个多通道的缓冲区，用于存储各种几何和光照属性；

20、然后，将g-buffer帧缓冲绑定为渲染目标，以便后续的渲染操作可以将数据写入到该帧缓冲中。

21、接下来，配置g-buffer帧缓冲，其中包含了多个颜色缓冲和一个单独的深度渲染缓冲对象。

22、最后，在片段着色器中使用多渲染目标(multiple render targets,mrt)技术，计算并存储模型的位置、法线、颜色等属性到g-buffer的相应通道中。

23、通过以上步骤，将可见的针织物模型数据预渲染到g-buffer帧缓冲中，以便后续的光照、阴影计算和真实感渲染步骤使用。这样可以确保针织物的细节和质感在实时渲染中得到准确地保留和呈现。

24、进一步的，步骤3中，创建深度帧缓冲，渲染深度立方体贴图，具体方法如下：

25、首先，创建一个帧缓冲对象，用于存储深度信息。这个帧缓冲将用于渲染深度立方体贴图。

26、接下来，为深度帧缓冲创建一个深度纹理附件，该附件将存储深度信息。深度纹理附件可以提供更多的灵活性，在后续的渲染步骤中可以直接读取深度信息。

27、然后，绑定深度帧缓冲，配置渲染状态，以确保正确的深度值计算和阴影投射。

28、最后，针对每个光源，渲染场景的深度立方体贴图。

29、通过以上步骤，创建深度帧缓冲并渲染深度立方体贴图，可以为后续延迟着色中的阴影计算提供基础。深度立方体贴图将存储场景中各个区域的深度信息，以便在实时渲染中进行阴影投射和渲染。这样可以增强针织物的真实感和立体感。

30、进一步的，步骤4中，创建环境光遮罩帧缓冲，渲染ssao纹理，具体方法如下：

31、首先，创建一个帧缓冲对象，用于存储环境光遮罩信息。这个帧缓冲将用于渲染ssao纹理。

32、接下来，为环境光遮罩帧缓冲创建一个纹理附件，用于存储ssao纹理。这个纹理将存储场景中每个像素点的环境光遮罩因子。

33、然后，绑定环境光遮罩帧缓冲，配置渲染状态，以确保正确的深度值计算和渲染结果。

34、最后，渲染ssao纹理，针对每个像素点，计算环境光遮罩因子。其算法思路为：(1)在该像素点的周围生成一组随机采样向量。(2)将采样向量从世界空间转换到屏幕空间。(3)将屏幕空间采样点的深度值与g-buffer中存储的深度值进行比较，若g-buffer深度值比半球中采样点的深度值大，添加到最终贡献因子。(4)根据一定的采样权重进行平均化得到最终的遮罩因子，并进行归一化。(5)将遮罩因子存储在ssao纹理的对应像素上。

35、通过以上步骤，创建环境光遮罩帧缓冲并渲染ssao纹理，可以为后续的渲染过程提供环境光遮罩信息。ssao纹理将存储每个像素点的环境光遮罩因子，用于在延迟着色阶段模拟环境光的遮蔽效果，从而增强针织物的真实感和光照效果。

36、进一步的，步骤5中，计算光照、阴影、应用环境光遮罩因子，实现基于延迟着色的针织物实时渲染，并获得高质量、真实感的渲染结果，具体方法如下：

37、首先，从步骤2中渲染到g-buffer帧缓冲中的数据中提取所需的信息，如颜色、法线、深度等。这些信息将用于后续的光照和阴影计算。

38、接下来，使用提取的法线和位置信息，根据所采用的光照模型计算每个像素点的光照值。这涉及对每个光源进行光照计算，考虑光源的位置、强度、颜色等因素。以布林-冯光照模型为例，其计算原理如式(3)所示：

39、

40、其中，

41、

42、式中，l为光照值，由la(环境光)，ld(漫反射)，ls(高光)三个分量构成，ka、kd、ks分别是对应分量的系数，ia为环境光能量，(i/r2)表示光强的衰减与距离的平方成反比，n为法向量，l为光源向量，max(0,n·l)是当前点接收到的能量，max(0,n·h)p表示高光强度，p为高光衰减指数。h为半程向量，是光源向量l和观察方向v夹角一半方向上的一个单位向量。

43、然后，基于光照计算的结果和步骤3中的深度值，计算每个像素点的阴影值。这将考虑光源的位置和针织物的遮挡情况，以模拟对光线的阻挡效果。

44、接着，将步骤4中渲染得到的ssao纹理(环境光遮罩因子)与光照模型中的环境光分量相乘，以模拟环境光的遮蔽效果。这将进一步增强针织物的真实感和光照效果。

45、最后，将计算得到的光照、阴影和应用环境光遮罩因子的结果与针织物的位置、法线、颜色等属性纹理进行混合，生成最终的渲染图像。

46、本发明针对当前针织物在三维仿真渲染方面存在的局限性，提出了一种新的针织物实时渲染方法，通过使用优化算法和延迟着色技术，实现了高效的渲染速度。渲染过程中的光照、阴影和环境光遮罩因子的计算都将为针织物呈现出更加逼真的光照效果和细节。本发明克服了传统正向渲染方式的效率限制与真实感缺失的问题，使渲染结果更加真实、细致，能够更好地模拟针织物的结构和材质。