基于入射角的陰影映射反走樣算法

董文　譙石

摘要：陰影映射是通過計(jì)算機(jī)圖形的模擬，在3D場(chǎng)景中加入陰影的過程。在實(shí)際的應(yīng)用中，需要解決該算法產(chǎn)生走樣的問題。本文采用一種基于入射角的陰影映射算法，有效解決了陰影生成的走樣問題。

關(guān)鍵詞：陰影映射；入射角；反走樣

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）09-0099-02

1 引言

陰影映射是通過計(jì)算機(jī)圖形的模擬，在3D場(chǎng)景中產(chǎn)生陰影的效果。生成陰影有很多算法，其中體積陰影算法、陰影映射算法是兩種比較常用的算法。體積陰影算法采用模板緩沖的輪廓數(shù)量進(jìn)行陰影生成，其優(yōu)點(diǎn)是像素銳利，陰影精確，適合精確表現(xiàn)動(dòng)態(tài)光陰場(chǎng)景；缺點(diǎn)是這種方法需要進(jìn)行過多的過度填充和勾畫，計(jì)算機(jī)處理器計(jì)算量大，而且需要處理很多特例。陰影映射是將像素與以紋理形式保存的光照深度緩沖區(qū)或者深度圖像比較，通過這種方式計(jì)算像素是否處于光源照射范圍之內(nèi)，從而生成陰影。這種方法是從光線角度還原場(chǎng)景，再投射到所有的陰影接收器上，其優(yōu)點(diǎn)是每束光線單獨(dú)進(jìn)行陰影映射，所有物體上采用同一繪制，能夠充分發(fā)揮圖形硬件的能力，避免了體積陰影算法高填充率的缺陷。但是這種方法也存在其不足，圖像生成的質(zhì)量局限于陰影映射的清晰度，一個(gè)紋理中很難適用于每一物體，生成圖像易產(chǎn)生走樣。因此，我們使用一種基于入射角的陰影映射算法，有效地解決陰影走樣的問題。

2 陰影映射算法實(shí)現(xiàn)過程

陰影映射采用的是兩次成像Z緩沖陰影運(yùn)算法則，從光源計(jì)算場(chǎng)景的離散可見度以決定一個(gè)像素是否有陰影。這種方法只需要兩個(gè)通道，通道1從光源的角度再現(xiàn)場(chǎng)景、每一像素只保存z深度不保存顏色，Z-緩沖器將所含內(nèi)容進(jìn)行呈現(xiàn)成像，如果亮度越大，那么離光的距離越遠(yuǎn)；通道2則從眼睛的視角再現(xiàn)場(chǎng)景，將眼睛能看到的每一點(diǎn)P，轉(zhuǎn)換成光源空間， 當(dāng)該點(diǎn)位于光線和相機(jī)之間的空間，對(duì)于給定的一個(gè)點(diǎn)而言，我們比較比較投影到該點(diǎn)的陰影以及該點(diǎn)到光源的距離，來計(jì)算該點(diǎn)是否在陰影中[1]。

3 入射角方法反走樣處理

由于陰影貼圖受限于解析度，在距離光源比較遠(yuǎn)的情況下，多個(gè)片元可能從深度貼圖的同一個(gè)值中去采樣，因此陰影映射算法很容易在陰影邊界出現(xiàn)粗糙的鋸齒狀走樣現(xiàn)象。我們是通過一個(gè)放置在3D場(chǎng)景中的攝像機(jī)來觀察場(chǎng)景中的對(duì)象，攝像機(jī)所能看到的視野的大小范圍圍成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平截頭體，我們以攝像機(jī)和光方向之間的入射角為基礎(chǔ)，通過調(diào)整攝像機(jī)和光照方向的入射角，有效解決了陰影映射算法的走樣問題[2-3]。

首先計(jì)算攝像機(jī)透視方向和光線方向之間的入射角，隨入射角的增加從矩形向不等邊四邊形轉(zhuǎn)換，當(dāng)光線和攝像機(jī)方向垂直的時(shí)候（最小入射角）此時(shí)正好得到一個(gè)不等邊多邊形，側(cè)邊多數(shù)是傾斜的；當(dāng)光線和攝像機(jī)方向平行的時(shí)候（最大入射角）此時(shí)正好得到一個(gè)矩形，側(cè)邊基本上平行。此時(shí)，矩形也在大小上有輕微的縮小，因?yàn)楫?dāng)他們的方向平行的時(shí)候，平截頭體的交匯會(huì)變小[4]。相機(jī)、光照與入射角關(guān)系圖1所示。

然后計(jì)算攝像機(jī)透視方向和光線方向之間的入射角，隨入射角的增加從矩形到不等邊四邊形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，矩形在大小上有輕微的縮水，因?yàn)楫?dāng)他們的方向平行的時(shí)候，平截頭體的交匯會(huì)變小。這種方法速度快，方法簡(jiǎn)單，就連出現(xiàn)平行平截頭體也能得出好的結(jié)果，分辨率的轉(zhuǎn)換是平滑且漸進(jìn)的，并且會(huì)隨攝像機(jī)方向的改變而改變[5]。隨入射角增加從矩形到不等邊四邊形變換圖2所示。

4 結(jié)語

本文采用一種基于入射角的陰影映射技術(shù)，通過調(diào)整攝像機(jī)和光照方向的入射角大小改善陰影映射算法中的鋸齒走樣問題，圖3所示是普通陰影映射的結(jié)果，可以看到其陰影邊界存在著鋸齒走樣現(xiàn)象，圖4所示是采用了入射角方法之后進(jìn)行映射的結(jié)果，走樣明顯得到了改善。

參考文獻(xiàn)

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