專利名稱：一種產(chǎn)生體積陰影的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種產(chǎn)生體積陰影的方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當在一個物體和光源之間存在障礙物時，該物體將會處在陰影中。障礙物 產(chǎn)生的陰影區(qū)域稱為體積陰影。體積陰影可以由輪廓邊擴展到 一 定距離以外或 者無窮遠處得到。輪廓邊的確定方法有很多種，基本方法為確定出被朝向相反 (一個面向光源，另一個背向光源)的兩個三角形所共享的邊，因為只有這樣的 邊會最終成為輪廓邊，其他的邊在光源看來都在物體投影的內(nèi)部而不是邊緣。圖1A所示為輪廓邊示意圖，該圖中ab邊為面V0和面VI的^^共邊，n0和nl 分別為V0和V1的法線，V0面向光源，而V1背向光源，則ab邊為輪廓邊。 圖1B所示為非輪廓邊示意圖，該圖中的ab邊為面VO和面VI的公共邊，n0 和nl分別為VO和VI的法線，V0和V1都面向光源，則ab邊為非輪廓邊。 圖2所示為體積陰影的示意圖，點L為光源，ABCD為產(chǎn)生陰影的物體，在底 板上形成的陰影為EFGH，體積陰影指AEFB， BFGC, CGHD, DHEA所組成 的一個區(qū)域。只要獲得AEFB， BFGC, CGHD, DHEA，并將它們繪制出來， 即可繪制出陰影EFGH。現(xiàn)有技術(shù)中，產(chǎn)生體積陰影時需要在中央處理器CPU中對物體三維模型 的各頂點添加輔助的頂點，判斷出該物體三維模型的輪廓邊頂點，根據(jù)光源的 方向，將輪廓邊頂點對應(yīng)的輔助頂點在反向光源的方向進行偏移，產(chǎn)生體積陰 影，然后CPU將該體積陰影的數(shù)據(jù)傳送給圖像處理器(GPU， Graph Processing Unit),由GPU對體積陰影進行渲染，繪制出體積陰影。參閱圖3所示，CPU
中的預(yù)處理過程如下步驟301、用三角形網(wǎng)格建立物體的三維模型，對該才莫型中的每個面的每 個邊的兩個頂點A和B添加上共用該邊的兩個面的法線，添加兩個輔助頂點 Al和B1分別與原本兩個頂點數(shù)據(jù)A和B相同(頂點位置，兩個法線均相同)， 并在A和B添加上一項為1的數(shù)據(jù)，在Al和B1添加上一項為0的數(shù)據(jù)以示 區(qū)別。步驟302、遍歷三維^f莫型的所有三角形，根據(jù)各三角形的法線方向和光源 的方向計算函數(shù)dot3 (light_direction, triangle—normal)的取4直，用該函數(shù)4直判 斷各三角形是面向光源還是背向光源，當函數(shù)dot3 ( light_direction ， triangle_normal )的取值大于零時，三角形為面向光源；當函數(shù)dot3<0 (light_direction, triangle—normal)的取值小于零時，三角形為背向光源。對于 面向光源的三角形，將該三角形的三條邊壓入棧內(nèi)并與該棧中的其他邊進行比 較，如果存在重復(fù)的邊，則將該邊刪除；對三維模型的所有三角形的所有邊進 行處理后，棧中的邊則為輪廓邊。步驟303、根據(jù)光源的方向，將輪廓邊上的各頂點對應(yīng)的輔助頂點分別在 反向光源的方向進行偏移，獲得體積陰影。進行完上述預(yù)處理，CPU將處理得到的體積陰影數(shù)據(jù)傳送給GPU， GPU 對體積陰影進行渲染，繪制出體積陰影。采用上述方法，若輪廓邊數(shù)目為n，在CPU中獲得體積陰影時，需要動態(tài) 生產(chǎn)2n個三角形，當光源產(chǎn)生運動時，輪廓邊需要動態(tài)重新生成，而這些都 需要由CPU進行預(yù)處理后獲得體積陰影的數(shù)據(jù)，然后將體積陰影的數(shù)據(jù)傳送 給GPU,不僅耗時，同時增大了系統(tǒng)的開銷。并且，采用該方法，當三維模 型有n個頂點，平均每個頂點有m個面共有時，則該三維模型一共有mn/3個 面需要進行處理，在預(yù)處理時會產(chǎn)生4mn個頂點，渲染體積陰影時需要處理 4mn個頂點，通常m大于等于3，使得渲染時GPU資源開銷進一步增大。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種體積陰影的實現(xiàn)方法及系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的產(chǎn)生體積陰影時cpu進行預(yù)處理后獲得的頂點數(shù)量較大，cpu和gpu間傳輸 體積陰影數(shù)據(jù)時存在大量的數(shù)據(jù)交互，不僅耗時，也增大了系統(tǒng)開銷的問題。本發(fā)明提供以下技術(shù)方案一種產(chǎn)生體積陰影的方法，包括如下步驟為物體的三維模型的每個頂點添加一個輔助頂點；利用與背景顏色不同的顏色渲染所述物體的三維模型，并將渲染后的物體 的三維模型的頂點轉(zhuǎn)換到屏幕空間得到各頂點的屏幕位置；分別在各頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點周圍的多個像素位置對渲染后 得到的紋理進行采樣，并依據(jù)采樣的紋理的顏色值確定屬于物體輪廓邊的頂 點；將屬于物體輪廓邊的頂點的輔助頂點進行偏移產(chǎn)生體積陰影。 其中，在中央處理器中為頂點的凄t據(jù)項中添加標識區(qū)分輔助頂點，并將添 加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)傳送給圖形處理器gpu,由gpu完成后續(xù)的步驟。較佳的，將紋理中背景顏色值取值為第一值，渲染所述物體的三維模型的 顏色值取值為第二值，判斷采樣的多個像素的顏色值中是否包含第一值；若 是，則確定頂點不是輪廓邊頂點，若否，則確定頂點為輪廓邊頂點。其中，對所述物體的三維模型的各頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點的周圍 8個像素位置對紋理進行采樣。進一步，還包括在像素著色器中輸入標識各頂點是否為輪廓邊頂點的項， 并根據(jù)該項顯示輪廓邊頂點所產(chǎn)生的像素。 一種體積陰影發(fā)生裝置，包括接收單元，用于接收添加了輔助頂點的物體的三維模型的數(shù)據(jù)； 紋理生產(chǎn)單元，用于利用與背景顏色不同的顏色渲染物體的三維模型，獲
得該物體的三維模型的紋理，并將該紋理傳送給處理單元；處理單元，用于將渲染后的物體的三維模型的頂點轉(zhuǎn)換到屏幕空間，并分 別在各頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點周圍的多個像素位置對渲染后得到的 紋理進行采樣，并依據(jù)采樣的紋理的顏色值確定屬于物體輪廓邊的頂點，以及 將屬于物體輪廓邊的頂點的輔助頂點進行偏移產(chǎn)生體積陰影。較佳的，所述裝置還包括像素著色器，用于根據(jù)標識各頂點是否為輪廓邊頂點的項顯示輪廓邊頂點 所產(chǎn)生的像素。一種產(chǎn)生體積陰影的系統(tǒng)，包括中央處理器CPU,用于對物體的三維模型的每個頂點添加輔助頂點，并輸 出添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)；圖形處理器GPU，用于接收添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)，并利 用與背景顏色不同的顏色渲染該物體的三維模型，通過采樣渲染后得到的紋 理確定屬于物體輪廓邊的頂點，以及將屬于物體輪廓邊頂點的輔助頂點進行 偏移產(chǎn)生體積陰影。較佳的，所述中央處理器CPU包括頂點添加單元，用于對物體的三維模型的各頂點添加輔助頂點J 輸出單元，用于輸出添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)。 所述圖形處理器GPU包括接收單元，用于接收添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)； 紋理生產(chǎn)單元，用于利用與背景顏色不同的顏色渲染物體的三維模型，獲 得該物體三維模型的紋理；處理單元，用于將渲染后的物體的三維模型的頂點轉(zhuǎn)換到屏幕空間，并分 別在各頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點周圍的多個像素位置對渲染后得到的 紋理進行采樣，并依據(jù)采樣的紋理的顏色值確定屬于物體輪廓邊的頂點，以 及將屬于物體輪廓邊的頂點的輔助頂點進行偏移產(chǎn)生體積陰影；像素著色器，用于根據(jù)標識各頂點是否為輪廓邊頂點的項顯示輪廓邊頂點 所產(chǎn)生的像素。本發(fā)明有益效果如下采用本發(fā)明實現(xiàn)體積陰影時，在CPU中進行預(yù)處理時，只需要對物體的 三維模型的各頂點分別添加一個輔助頂點，不需要添加三維模型中各面的法 線，減少了 CPU的資源開銷；同時，產(chǎn)生體積陰影在GPU中進行，減少了 GPU與CPU之間的數(shù)據(jù)交互，同時降低了CPU的開銷；而且，采用本發(fā)明進 行預(yù)處理后生產(chǎn)的頂點數(shù)量較少，進一步降低了 GPU的資源開銷。


圖1A、圖1B分別為現(xiàn)有技術(shù)中輪廓邊和非輪廓邊的示意圖； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的體積陰影示意圖； 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中產(chǎn)生體積陰影的預(yù)處理流程圖； 圖4為本發(fā)明實施例中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明實施例中產(chǎn)生體積陰影的處理流程圖； 圖6為本發(fā)明實施例中輪廓邊頂點上的輔助頂點進行偏移產(chǎn)生體積陰影的 示意圖；圖7A為本發(fā)明實施例中圓球物體的示意圖；圖7B為本發(fā)明實施例中圓球物體的空間模型示意圖；圖8為本發(fā)明實施例中圓珎一莫型的紋理示意圖；圖9為本發(fā)明實施例中對紋理采樣后獲得的輪廓邊的示意圖。
具體實施方式
本實施例中CPU對物體的三維模型的每個頂點添加輔助頂點，并將添加 了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)傳送給GPU; GPU利用與背景顏色不同的 顏色渲染所述物體的三維模型，并將渲染后的物體的三維模型的頂點轉(zhuǎn)換到
屏幕空間得到各頂點的屏幕位置，然后在各頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點 周圍的多個像素位置對渲染后得到的紋理進行采樣，并依據(jù)采樣的紋理的顏色值確定屬于物體輪廓邊的頂點；將屬于物體輪廓邊的頂點的輔助頂點進行 偏移產(chǎn)生體積陰影。進一步，在像素著色器中添加標識各頂點是否為輪廓邊 頂點的項，根據(jù)該項顯示輪廓邊頂點所產(chǎn)生的像素。參閱圖4所示，產(chǎn)生體積陰影的系統(tǒng)包括CPU410和GPU420。其中 CPU410包括頂點添加單元4101和輸出單元4102; GPU420包括接收單元4201、 紋理生產(chǎn)單元4202、處理單元4203和像素著色器4204。頂點添加單元4101用于對物體的三維模型的各頂點添加輔助頂點；輸出 單元4102用于將添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)傳送給GPU420中的 接收單元4201。接收單元4201用于接收添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)，并將該 數(shù)據(jù)傳送給紋理生產(chǎn)單元4202;紋理生產(chǎn)單元4202用于利用與背景顏色不同 的顏色渲染物體的三維模型，獲得該物體的三維模型的紋理，并將該紋理傳送 給處理單元4203;處理單元4203用于將渲染后的物體的三維模型的頂點轉(zhuǎn)換 到屏幕空間得到各頂點的屏幕位置，分別在各頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點 周圍的多個像素位置對渲染后得到的紋理進行采樣，并依據(jù)采樣的紋理的顏色 值確定屬于物體輪廓邊的頂點，以及將屬于物體輪廓邊的頂點的輔助頂點進行 偏移產(chǎn)生體積陰影，并在像素著色器4204中輸入標識各頂點是否為輪廓邊頂 點的項；像素著色器4204用于根據(jù)所述項顯示輪廓邊頂點的像素，繪制出體 積陰影。利用與背景顏色不同的顏色渲染物體的三維模型，獲得該物體的三維模 型的紋理時，將紋理中背景顏色值取值為第一值，渲染所述物體的三維模型 的顏色值取值為第二值，判斷采樣的多個像素的顏色值中是否包含第 一值； 如果包含第一值，則確定頂點不是輪廓邊頂點，若否，則確定頂點為輪廓邊 頂點。本實施例以第一值取為1，第二值取為O進行說明。
參閱圖5所示，產(chǎn)生體積陰影的處理過程包括如下步驟步驟501、 CPU對物體的三維模型的每個頂點添加一個輔助頂點，并將添 加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)傳送給GPU。步驟502、 GPU獲得物體的三維模型數(shù)據(jù)后，渲染所述物體的三維;f莫型時， 以白色為背景，黑色為顏色渲染該物體，得到該物體模型的紋理，該紋理中 白色取值為1,黑色取值為0。步驟503、將渲染后的物體的三維模型的頂點轉(zhuǎn)換到屏幕空間得到頂點的 屏幕位置，以頂點屏幕位置所對應(yīng)的像素點的周圍8個像素位置對紋理進行 采樣，并對采樣值求和。步驟504、判斷采樣值是否為O,如果為O,執(zhí)行步驟506,否則，繼續(xù)步 驟505。步驟505、當采樣值不為零時，將該像素對應(yīng)的輔助頂點在反向光源的方 向進行偏移，產(chǎn)生體積陰影，并在像素著色器中輸入一個為O的項，標識該像 素為輪廓邊頂點對應(yīng)的像素，然后執(zhí)行步驟507。步驟506、在像素著色器中輸入一個-1的項，標識像素為非輪廓邊對應(yīng) 的像素，然后繼續(xù)步驟507。步驟507、像素著色器根據(jù)各像素的標識項繪制出體積陰影。圖6所示為與輪廓邊頂點數(shù)據(jù)相同的輔助頂點進^f亍偏移產(chǎn)生體積陰影的示 意圖。在CPU中進行預(yù)處理時，對應(yīng)于每個頂點分別添加了數(shù)據(jù)相同的輔助 頂點，并添加不同的項用于區(qū)分原頂點和添加的頂點。在圖中輪廓邊AB的頂 點A和B對應(yīng)的輔助頂點分別為Al和B1， Al和B1分別從原頂點A和B位 置出發(fā)，反向光源的方向進行偏移，得到A-Al-Bl, A-B1-B的順序三角 形；對輪廓邊BC、 CD和DA的頂點對應(yīng)的輔助頂點進行類似的處理，即可獲 得體積陰影。本實施例中利用物體三維模型的頂點紋理，直接探測輪廓邊頂點，并使用 像素剔除非輪廓邊頂點像素，以一個很小的消耗獲得了體積陰影。以下以 一個圓J求物體為例子進一步進行說明。圖7A所示為一個圓球物體；圖7B所示為采用三角形網(wǎng)格建立的圓球物 體的三維模型。在CPU中進行預(yù)處理時，對圓球的三維模型的每個頂點添加上輔助頂點， 為了便于進行區(qū)分，對原頂點添加一項為1的數(shù)據(jù)，對添加的頂點添加一項為 0的數(shù)據(jù)。將添加完輔助頂點的圓球的三維模型數(shù)據(jù)傳送給GPU。在GPU中，以白色為背景，黑色為顏色渲染圓球的三維模型，得到紋理1。 圖8所示為該紋理的示意圖。獲得圓球三維模型的紋理后，將圓球三維模型各頂點轉(zhuǎn)換到屏幕空間得到 各頂點的屏幕位置，并以各頂點屏幕位置所對應(yīng)的像素點的周圍8個像素位置 對紋理1進行采樣，紋理1中黑色的采樣值為0，白色的采樣值為1，將8個 采樣值累加得到sum。判斷sum的取值，如果sumX),說明該頂點的屏幕空間 周圍8個像素中有白色的像素，該頂點在邊緣上，該頂點為輪廓邊頂點，則將 該頂點對應(yīng)的新增頂點在反向光源的方向進行偏移，產(chǎn)生體積陰影，并向像素 著色器輸入一個為0的項。如果sum = 0,則向像素著色器輸入一個為-1的項。 像素著色器根據(jù)這個項對像素進行刪除，以剔除不是輪廓邊頂點所產(chǎn)生的像 素，然后根據(jù)輪廓邊頂點繪制出體積陰影。采樣處理后獲得的輪廓邊如圖9所 示。本實施例中對物體的三維模型進行預(yù)處理時，只需要添加輔助頂點，不需 要添加各面的法線，而且如果原模型有n個頂點，平均每個頂點由m個面共有， 則共有mn/3個面，預(yù)處理后得到的頂點為2n個，頂點數(shù)據(jù)輸入減少了很多倍， 降低了CPU的資源開銷，同時，在GPU中生產(chǎn)體積陰影，對紋理的像素處理 時不渲染非輪廓邊頂點產(chǎn)生的像素，處理效率進一步提升。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā) 明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及 其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1、 一種產(chǎn)生體積陰影的方法，其特征在于，包括如下步驟 為物體的三維模型的每個頂點添加 一個輔助頂點；利用與背景顏色不同的顏色渲染所述物體的三維模型，并將渲染后的物體 的三維才莫型的頂點轉(zhuǎn)換到屏幕空間得到各頂點的屏幕位置；分別在各頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點周圍的多個像素位置對渲染后 得到的紋理進行采樣，并依據(jù)采樣的紋理的顏色值確定屬于物體輪廓邊的頂 點；將屬于物體輪廓邊的頂點的輔助頂點進行偏移產(chǎn)生體積陰影。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在中央處理器中為頂點的數(shù) 據(jù)項中添加標識區(qū)分輔助頂點，并將添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)傳 送給圖形處理器GPU，由GPU完成后續(xù)的步驟。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將紋理中背景顏色值取值為 第一值，渲染所述物體的三維模型的顏色值取值為第二值，判斷采樣的多個 像素的顏色值中是否包含第一值；若是，則確定頂點不是輪廓邊頂點，若否， 則確定頂點為輪廓邊頂點。
4、 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對所述物體的三維模型的各 頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點的周圍8個像素位置對紋理進行采樣。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，還包括在像素著色器中輸 入標識各頂點是否為輪廓邊頂點的項，并根據(jù)該項顯示輪廓邊頂點所產(chǎn)生的像 素。
6、 一種體積陰影發(fā)生裝置，其特征在于，包括接收單元，用于接收添加了輔助頂點的物體的三維模型的數(shù)據(jù)； 紋理生產(chǎn)單元，用于利用與背景顏色不同的顏色渲染物體的三維模型，獲 得該物體的三維模型的紋理，并將該紋理傳送給處理單元；處理單元，用于將渲染后的物體的三維模型的頂點轉(zhuǎn)換到屏幕空間，并分別在各頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點周圍的多個像素位置對渲染后得到的 紋理進行采樣，并依據(jù)采樣的紋理的顏色值確定屬于物體輪廓邊的頂點，以及 將屬于物體輪廓邊的頂點的輔助頂點進行偏移產(chǎn)生體積陰影。
7、 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，還包括像素著色器，用于根據(jù)標識各頂點是否為輪廓邊頂點的項顯示輪廓邊頂點 所產(chǎn)生的像素。
8、 一種產(chǎn)生體積陰影的系統(tǒng)，其特征在于，包括中央處理器CPU,用于對物體的三維模型的每個頂點添加輔助頂點，并輸 出添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)；圖形處理器GPU,用于接收添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)，并利 用與背景顏色不同的顏色渲染該物體的三維^^莫型，通過采樣渲染后得到的紋 理確定屬于物體輪廓邊的頂點，以及將屬于物體輪廓邊頂點的輔助頂點進行 偏移產(chǎn)生體積陰影。
9、 如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述中央處理器CPU包括 頂點添加單元，用于對物體的三維模型的各頂點添加輔助頂點； 輸出單元，用于輸出添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)。
10、 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖形處理器GPU包括: 接收單元，用于接收添加了輔助頂點的物體的三維模型數(shù)據(jù)； 紋理生產(chǎn)單元，用于利用與背景顏色不同的顏色渲染物體的三維模型，獲得該物體三維^^莫型的紋理；處理單元，用于將渲染后的物體的三維模型的頂點轉(zhuǎn)換到屏幕空間，并分 別在各頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點周圍的多個像素位置對渲染后得到的 紋理進行采樣，并依據(jù)采樣的紋理的顏色值確定屬于物體輪廓邊的頂點，以 及將屬于物體輪廓邊的頂點的輔助頂點進行偏移產(chǎn)生體積陰影；像素著色器，用于根據(jù)標識各頂點是否為輪廓邊頂點的項顯示輪廓邊頂點 所產(chǎn)生的像素。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生體積陰影的方法，該方法包括為物體三維模型的每個頂點添加一個輔助頂點；利用與背景顏色不同的顏色渲染所述物體三維模型，并將渲染后的物體三維模型的頂點轉(zhuǎn)換到屏幕空間得到各頂點的屏幕位置；分別在各頂點的屏幕位置所對應(yīng)的像素點周圍的多個像素位置對渲染后得到的紋理進行采樣，并依據(jù)采樣的紋理的顏色值確定屬于物體輪廓邊的頂點；將屬于物體輪廓邊的頂點的輔助頂點進行偏移產(chǎn)生體積陰影。采用該方法，不僅降低了對物體三維模型的頂點數(shù)據(jù)的處理量，提高了產(chǎn)生體積陰影的效率，而且降低了系統(tǒng)開銷。本發(fā)明同時公開了一種產(chǎn)生體積陰影的系統(tǒng)。
文檔編號G06T15/60GK101145246SQ20061012757
公開日2008年3月19日 申請日期2006年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日
發(fā)明者皓 劉 申請人:騰訊科技(深圳)有限公司