特效電影工程中混合分辨率陰影圖設(shè)計(jì)與硬陰影反走樣

李　華，楊華民，趙建平，陳純毅

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

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特效電影工程中混合分辨率陰影圖設(shè)計(jì)與硬陰影反走樣

李華，楊華民，趙建平*，陳純毅

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

摘要：在實(shí)時(shí)的虛擬場(chǎng)景渲染中，為減少陰影圖算法由分辨率不足導(dǎo)致的陰影走樣，提出了利用并行線性掃描的混合分辨率陰影圖算法。首先，從光源視角生成高分辨率陰影圖，利用并行線性掃描算法對(duì)深度均值差進(jìn)行計(jì)算和分析，自底向上的合并紋素，建立紋素之間的索引關(guān)系并討論混合分辨率陰影圖的存儲(chǔ)。在渲染階段，利用混合分辨率陰影圖進(jìn)行深度測(cè)試，繪制實(shí)時(shí)的反走樣陰影。實(shí)驗(yàn)表明，與標(biāo)準(zhǔn)陰影圖相比，混合分辨率陰影圖能提高20%以上的重要區(qū)域分辨率，明顯改善陰影邊界鋸齒走樣，使Dragon等模型的計(jì)算時(shí)間減少9%~18%。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，混合分辨率陰影圖是一種有效的實(shí)時(shí)陰影繪制算法，可有效減少陰影圖算法的走樣。

關(guān)鍵詞:陰影圖；硬陰影；混合分辨率；反走樣

Hybrid-resolution shadow mapping design and hard

1引言

隨著特效電影、游戲產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷成熟，越來(lái)越多的工業(yè)應(yīng)用、科學(xué)研究離不開(kāi)虛擬場(chǎng)景的繪制?；诂F(xiàn)代圖形渲染管線的研究和應(yīng)用已經(jīng)成為重要產(chǎn)業(yè)。其中，陰影的繪制是提高場(chǎng)景的真實(shí)效果和視覺(jué)體驗(yàn)的關(guān)鍵。陰影圖是計(jì)算實(shí)時(shí)陰影的主要方法之一，在電影虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景創(chuàng)建中被廣泛使用。陰影圖算法利用屏幕空間的雙渲染通道，通過(guò)深度測(cè)試?yán)L制陰影，具有場(chǎng)景無(wú)關(guān)性和靈活性的特點(diǎn)，在目前的硬件渲染管線中被廣泛支持。但由于其分辨率有限以及透視投影的誤差等原因，陰影圖算法易產(chǎn)生走樣,尤其在陰影邊界區(qū)域。因此，如何減少陰影走樣一直是陰影圖算法的主要研究?jī)?nèi)容。

標(biāo)準(zhǔn)陰影圖(Shadow mapping，SM)[1]算法最初由LanceWilliams在1978年提出。該算法首先從光源視角生成場(chǎng)景深度圖，以紋理的方式存儲(chǔ)在z-buffer中，所有深度圖中的紋素都是場(chǎng)景中的可見(jiàn)點(diǎn)。然后從相機(jī)視角渲染場(chǎng)景，將所有采樣點(diǎn)的坐標(biāo)投影到光照空間，讀取對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的深度圖中的深度值，與采樣點(diǎn)的深度值進(jìn)行比較來(lái)確定采樣點(diǎn)是否處于陰影中。

為解決走樣問(wèn)題，人們已開(kāi)展了大量的研究工作并提出了相關(guān)的算法。例如，一種基于Wu直線反走樣算法減少鋸齒現(xiàn)象[2]和小角度直線反走樣的改進(jìn)Wu算法[3]從顯示技術(shù)角度提出了顯示反走樣方法; 一種圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[4]對(duì)人類視覺(jué)對(duì)走樣的觀察理論提供了分析依據(jù)。從圖形繪制角度看，基于濾波的技術(shù)，如百分比近似濾波方法(PCF)[5]，方陰影圖(VSM)[6]和卷積陰影圖(CSM)[7]等，這些方法通過(guò)深度值濾波，滑柔陰影邊緣?；谕敢曂队白兓南嚓P(guān)技術(shù)，如光照空間的透視陰影貼圖(LSPSM)[8]，此類方法都在透視投影后的空間生成陰影圖，使得近觀察者的物體有更高的分辨率，減少走樣?；趲缀侮幱皥D的技術(shù)，如可重建幾何陰影圖(RGSM)[9]，提出存儲(chǔ)可見(jiàn)三角形片元的頂點(diǎn)，而不是可見(jiàn)點(diǎn)。在渲染階段，通過(guò)幾何片元進(jìn)行深度重建的方式，完成陰影測(cè)試。該方法能與采樣點(diǎn)的方法相比，能更真實(shí)地反應(yīng)場(chǎng)景深度。除此之外，還有幾何陰影圖的改進(jìn)方法[10]以及陰影圖和陰影體算法相結(jié)合的技術(shù)。如，混合陰影渲染算法(HSRA)[11]提出運(yùn)用陰影體技術(shù)識(shí)別物體投影邊界，再利用陰影圖技術(shù)生成陰影，同時(shí)對(duì)于邊界部分采用高分辨率反走樣。另外，反射陰影圖的采樣改進(jìn)算法[12]對(duì)并行渲染的效率進(jìn)行了分析，提出有效的并行渲染結(jié)構(gòu)。

本文提出一種混合分辨率陰影圖(Hybrid-resolution shadow mapping,HRSM)的生成算法，設(shè)置深度值均值差識(shí)別視覺(jué)敏感區(qū)，如深度值變化大的陰影邊界。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)陰影圖的并行線性掃描算法，對(duì)高分辨率陰影圖逐級(jí)“合并”，對(duì)非敏感區(qū)域降低分辨率，形成混合分辨率的陰影圖，并設(shè)置存儲(chǔ)和索引方法。本方法在實(shí)際應(yīng)用中能獲得高畫質(zhì)的陰影繪制影效果，節(jié)約計(jì)算成本。

2混合多分辨率陰影圖算法

2.1　建立陰影圖

陰影圖算法第一步是從光源視角生成可見(jiàn)場(chǎng)景點(diǎn)的深度值，在z-buffer中存儲(chǔ)為紋理。算法利用GLSL語(yǔ)言，在頂點(diǎn)著色器中計(jì)算齊次坐標(biāo)，在片段著色器中將最小深度值存儲(chǔ)到16位的深度紋理。建立高分辨率陰影圖(初始為2 048×2 048或4 096×4 096)。

2.2　并行線性掃描算法

對(duì)于一個(gè)場(chǎng)景，場(chǎng)景中每一個(gè)“表面”一般是平滑連續(xù)過(guò)渡的，但在物體邊緣或者當(dāng)前景和背景相離較遠(yuǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)深度值“斷層”。算法首先通過(guò)并行線性掃描對(duì)高分辨率陰影圖計(jì)算其深度均值差，即包含掃描點(diǎn)在內(nèi)的4個(gè)相鄰紋素的深度值均值之差。設(shè)4個(gè)相鄰紋素的深度分別為D1,D2,D3,D4則深度均值差表示為：

(1)

式中，Di表示相鄰4個(gè)紋素深度，Dn表示當(dāng)前掃描點(diǎn)的深度，其中n∈{1,2,3,4}。ε0表示均值差閾值(本算法中ε0=0.25)，如果對(duì)相鄰4個(gè)采樣點(diǎn)均值差均≤ε0，則進(jìn)行合并取均值的操作，否則保留原分辨率不變。這種自底向上的合并方式可以有效降低非陰影邊界區(qū)域的分辨率，提高深度測(cè)試速度，并保留了高精度分辨率的準(zhǔn)確性。如圖1所示，并行線性掃描算法對(duì)相鄰4個(gè)紋素合并成一個(gè)紋素，對(duì)分辨率為N2的陰影圖，經(jīng)過(guò)2次掃描，即可將分辨率將為原來(lái)的N2/16。即，對(duì)于初始分辨率2 048×2 048降至512×512。

圖1　高分辨率陰影圖的自底向上合并Fig.1　Bottom-up merges of high-resolution shadow map

并行線性掃描算法(偽代碼見(jiàn)算法1)設(shè)計(jì)每條線程跨越2個(gè)紋素寬度，每個(gè)計(jì)算周期掃描1個(gè)紋素長(zhǎng)度。對(duì)合并的紋素建立索引(2.3節(jié))，最終將掃描結(jié)果存入輸出緩沖區(qū)中生成混合分辨

率陰影圖，主要步驟如下：

(a)設(shè)置N/2個(gè)線程掃描分辨率為N×N的陰影圖；

(b)計(jì)算均值差，對(duì)均值差均小于閾值(0.25)的相鄰4個(gè)紋素合并，并以均值作為新紋素的深度值；

(c)識(shí)別D1,D2,D3,D4位置坐標(biāo)創(chuàng)建索引，存儲(chǔ)子陰影圖信息；

(d)重復(fù)(a)~(c)創(chuàng)建二級(jí)索引達(dá)到最低分辨率。

通常情況下，通過(guò)二級(jí)或索引關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)最低分辨率理想的混合分辨率陰影圖。如初始分辨率為2 048×2 048，經(jīng)過(guò)兩次自底向上的合并，在場(chǎng)景平滑連續(xù)的表面形成分辨率為512×512的陰影圖紋素，在物體輪廓邊緣處保留2 048×2 048高分辨率以及1 024×1 024的中等分辨率。

算法1

Algorithm1Line-sweepshadowmapposisthecoordinateofthefirststepintheshadowmapandstisavectorforonestepalongthescanline.While(steps--){float3sampleTexel(pos);forall(mapstexels,s∈input)doD1=DepthAtPoint(s.Pos.TopLeft())D2=DepthAtPoint(s.Pos.ToptRight())D3=DepthAtPoint(s.Pos.BottomLeft())D4=DepthAtPoint(s.Pos.BottomRight())If(MeanDifference(D1,D2,D3,D4)≤ε0)then{ParentPoint=MergeAverage(D1,D2,D3,D4)If(s.position)Output.Add(s.ParentPoint());StorenormalandIDtonewshadowmap}elseoutput.Add(s)} pos+=st; }

2.3　陰影圖索引及存儲(chǔ)

多分辨率陰影圖的存儲(chǔ)及索引是實(shí)現(xiàn)混合分辨率陰影圖的關(guān)鍵。標(biāo)準(zhǔn)陰影圖以文本方式存儲(chǔ)。本算法需設(shè)計(jì)不同的RGBA緩存存儲(chǔ)格式。在本實(shí)驗(yàn)中的RGBA緩存為128位，該圖形硬件渲染管線在一個(gè)RGBA緩存中只允許存儲(chǔ)4位全精度浮點(diǎn)類型或8位半精度浮點(diǎn)類型。因此，本文設(shè)置將線程紋理坐標(biāo)及深度值存儲(chǔ)在R和G通道中，索引標(biāo)志位，以及索引信息存儲(chǔ)在B通道中。Alpha 通道的高16位存儲(chǔ)深度值depth，Alpha 通道的低16位預(yù)留存儲(chǔ)法向量normal (用于進(jìn)一步的間接光照計(jì)算)。如圖2所示。

圖2　RGBA緩存的128位存儲(chǔ)格式Fig.2　Storage of 128 bits RGBA-buffer

另外，對(duì)于索引信息，需要額外建立一張索引鏈表，其結(jié)構(gòu)定義如下，紋素索引示意如圖3所示。

struct shadowmap

{ int textureID;

struct shadowmap *next;

}shadowmap

圖3　混合分辨率陰影圖索引示意Fig.3　Index of hybrid-resolution shadow mapping

2.4　深度測(cè)試

算法2

Algorithm2ShadowTest forEachviewsample Projecttolightspaceintersectwithtexeli readfromHRSM iftexeliisindexedtosubtexel,searchindexuntilend thenReaddp~inHRSM ifdp≤dp~thenreturntrue; elsereturnfalse;} elseReaddp~inHRSM ifdp≤dp~thenreturntrue; elsereturnfalse;}

3效果分析

圖4　標(biāo)準(zhǔn)陰影圖算法(左列)與混合分辨率陰影圖算法(右列) 的效果對(duì)比, 陰影圖分辨率分別為(a)1 024×1 024，(b)2048×2 048 降至1 024×1 024，(c)512×512，(d)1 024×1 024 降至512×512，(e)2 048×2 048，(f)4 096×4 096 降至2048×2 048Fig.4　Contrast of SM(left column) and HRSM(right column)，with the resolution of shadow maps are (a)1 024×1 024, (b)2 048×2 048 down to 1 024×1 024, (c)512×512, (d)1 024×1 024 down to 512×512， (e)2 048×2 048, (f)4 096×4 096 down to 2 048×2 048

本算法實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Intel(R)Xeon(R) CPU E5620@ 雙核 2.40 GHz ，NVIDIA Quadro K5000. 利用GLSL語(yǔ)言及CUDA并行線程實(shí)現(xiàn)。對(duì)于分辨率為標(biāo)準(zhǔn)512×512及以下的混合分辨率陰影圖來(lái)講，混合分辨率陰影圖效果由于分辨率過(guò)低不建議采用；高于1 024×1 024及以上情況，運(yùn)用混合分辨率陰影圖，相同時(shí)間消耗可以獲得更高質(zhì)量的陰影效果，同樣，在相同渲染質(zhì)量的前提下，混合分辨率陰影圖的計(jì)算時(shí)間明顯縮短。結(jié)合實(shí)際虛擬現(xiàn)實(shí)工程的應(yīng)用以及基于CPU-GPU渲染平臺(tái)的運(yùn)算效率研究[8]，本算法在生成特效立體電影的樣片制作中進(jìn)行運(yùn)用和測(cè)試。圖4所示為標(biāo)準(zhǔn)陰影圖SM與本文算法HRSM的繪制效果對(duì)比(測(cè)試模型來(lái)自Stanford Dragon)。圖中，標(biāo)準(zhǔn)陰影圖分辨率分別為(a)1 024×1 024，(b)512×512和((e)2 048×2 048；混合分辨率陰影圖分別為(b)2 048×2 048 降至1 024×1 024，(d)1 024×1 024 降至512×512和(f)4 096×4 096 降至2 048×2 048，結(jié)果顯示了本文算法能明顯減少陰影邊界的鋸齒走樣。表1對(duì)比了Dragon模型在兩種方法起始分辨率相同情況下的繪制時(shí)間，隨著陰影圖分辨率的增加，計(jì)算時(shí)間約從9%減少到18%，即初始分辨率越高，本算法的優(yōu)勢(shì)越明顯。原因是自底向上的合并分辨率，極大地降低了陰影內(nèi)部及背景的分辨率，保留了陰影邊緣的高分辨率，這種方法對(duì)不同場(chǎng)景的適應(yīng)性較強(qiáng)，除了樹(shù)葉發(fā)絲等特殊渲染目標(biāo)。

表1　SM與HRSM下Dragon的計(jì)算

圖5　細(xì)線條目標(biāo)反走樣繪制，圖(a)和(c)為標(biāo)準(zhǔn)陰影圖算法，分辨率為2 048×2 048；圖(b)和(d)為混合分辨率陰影圖算法，分辨率由4 096×4 096降至2 048×2 048Fig.5　Anti-aliasing with tiny objects, (a) and (c) are SM with resolution of 2048×2 048， (b) and (d) are HRSM with resolution of 4 096×4 096 down to 2 048×2 048

圖5為2 048×2 048分辨率下的細(xì)陰影繪制及反走樣效果，其中，(a)、(c)為標(biāo)準(zhǔn)陰影圖，分辨率均為2 048×2 048;(b)、(d)為本文算法，分辨率為4 096×4 096降至2 048×2 048生成。該測(cè)試場(chǎng)景包含中等程度的深度不連續(xù)區(qū)域，視覺(jué)效果良好。

圖6為HRSM方法的自陰影繪制效果測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明該方法能正確計(jì)算自陰影及陰影反走樣。圖7對(duì)比了混合分辨率陰影圖由不同初始分辨率降至標(biāo)準(zhǔn)分辨率512×512的繪制效果。其中，(a)和(d)為標(biāo)準(zhǔn)陰影圖512×512繪制效果； (b)、(c)和(e)為混合分辨率陰影圖，分辨率分別由2 048×2 048降至512×512，4 096×4 096降至512×512 以及1 024×1 024降至512×512的繪制效果?？梢?jiàn)混合分辨率算法隨著初始分辨率的提高，即使目標(biāo)分辨率相同，畫面質(zhì)量會(huì)隨之提

高。為了測(cè)試模型復(fù)雜度對(duì)算法的影響，本文分別對(duì)Dragon、Bunny、Ball model和Spheres進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示模型越復(fù)雜本算法的計(jì)算優(yōu)勢(shì)越明顯，時(shí)間減少量約從5%~12%，如表2所示。

圖6　混合分辨率陰影圖算法自陰影效果，分辨率由2 048×2 048 降至1 024×1 024Fig.6　Self-shadow of HRSM with resolution of 2 048×2 048 down to 1 024×1 024

圖7　不同初始分辨率的混合陰影圖算法繪制效果對(duì)比，(a)和(d)為標(biāo)準(zhǔn)陰影圖512×512繪制效果； (b)、(c)和(e)為混合分辨率陰影圖的分辨率分別由2 048×2 048降至512×512，4 096×4 096降至512×512 以及1 024×1 024降至512×512的繪制效果Fig.7　Contrast of HRSM with different initial resolution, (a) and (d) are standard shadow map with resolution of 512×512; (b), (c) and (e) are HRSM with resolution of 2 048×2 048 to 512×512， 4 096×4 096 to 512×512 and 1 024×1 024 to 512×512

模型頂點(diǎn)多邊形標(biāo)準(zhǔn)陰影圖(SM)混合分辨率陰影圖(HRSM)1024×10242048×20481024×10242048×2048Dragon1526433240000032.634.929.530.8Bunny872661167198423.528.220.627.3Ballmodel1341842688009.812.98.511.2Spheres1200120005.37.25.06.3

4結(jié)論

本文利用并行線性掃描及深度均值差計(jì)算的方法，對(duì)高分辨率陰影圖進(jìn)行合并、索引存儲(chǔ)生成混合分辨率陰影圖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與標(biāo)準(zhǔn)陰影圖相比，混合分辨率陰影圖可提高20%以上的重要區(qū)域分辨率，可明顯改善陰影邊界鋸齒走樣，使Dragon等模型的計(jì)算時(shí)間減少9%~18%，因此，混合分辨率陰影圖方法是一種有效的陰影圖陰影反走樣方法。更進(jìn)一步的工作將對(duì)非均勻分布的虛擬點(diǎn)光源進(jìn)行簇劃分，形成虛擬面光源，利用立即輻射度法計(jì)算間接光照，同時(shí)結(jié)合運(yùn)動(dòng)物體目標(biāo)遮擋跟蹤[13]和大氣、星體運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)虛擬太空特種電影的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)光照計(jì)算。

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李華(1977—)，女，黑龍江人，博士研究生，副教授，2003年于長(zhǎng)春理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及高性能計(jì)算方面的研究。E-mail: lihua@cust.edu.cn

趙建平(1964—)，男，吉林榆樹(shù)人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事數(shù)字圖像處理技術(shù)方面的研究。E-mail:zhaojpin@aliyun.com

Supported by National High-tech R&D Program of China(No.2013AAXXXX042)

shadows anti-aliasing in special effects movies

LI Hua, YANG Hua-min, ZHAO Jian-ping*, CHEN Chun-yi

(SchoolofComputerScienceandTechnology,ChangchunUniversityof

ScienceandTechnology,Changchun130022,China)

*Correspondingauthor,E-mail:zhaojpin@aliyun.com

Abstract:In order to reduce the aliasing artifact due to the finite resolution of shadow mapping in real-time rendering，we propose a hybrid-resolution shadow map based on a parallel line-sweep algorithm. First, our method generates a high-resolution depth map from light′s view, and analysizes the mean difference of depth using parallel line-sweep algorithm with threads and kernels. Then this method merges the texels from bottom to top to establish indexes for the texels and discusses the storage methods. At rendering pass, our method renders shadows in real time using the hybrid-resolution shadow map for occluder detection. Experimental results indicate that our algorithm improves the resolution of boundaries′ area over 20% compared with standard shadow mapping and reduces the time consumption about 9%-18% running by Dragon model. Verified by practical application， the hybrid-resolution shadow mapping is an effective real-time shadow rendering algorithm, which can effectively reduce the aliasing artifact.

Key words:shadow map;hard shadow;hybrid-resolution;anti-aliasing

文章編號(hào)2095-1531(2016)01-0097-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(No.2013AAXXXX042)

收稿日期:2015-09-11；

修訂日期:2015-11-13

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TP311.1； TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3788/CO.20160901.0089