一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法，包括步骤1，根据场景中各物体的深度值，计算一阶原点矩和二阶原点矩；步骤2，计算出深度值的期望和方差，利用切比雪夫不等式求出范围内概率上限，对深度值进行滤波处理；步骤3，使用预分层函数对滤波后的深度值进行分层处理；步骤4，根据分层后深度的范围划分渲染过程中的所属层，每层单独存储各自的VSM；步骤5，分别使用VSM算法输出阴影效果，渲染整体场景。本发明专利技术有效克服了漏光问题，获得高质量的阴影效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法，属于计算机仿真

技术介绍
三维引擎在渲染输电线路大规模室外场景时，需要根据不同的光照条件生成实时阴影效果，提高三维场景的真实度和沉浸感，为物体的空间位置关系提供可视化参考。目前广泛采用方差阴影贴图算法(VSM)绘制虚拟场景中的动态阴影，其优势在于算法的计算速度和几何形体复杂度没有关联，阴影走样率低。然而，由于深度值采用离散方式的存储，导致生成的阴影图存在漏光现象。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法，包括以下步骤，步骤1，根据场景中各物体的深度值，计算一阶原点矩和二阶原点矩；步骤2，计算出深度值的期望和方差，利用切比雪夫不等式求出范围内概率上限，对深度值进行滤波处理；步骤3，使用预分层函数对滤波后的深度值进行分层处理；步骤4，根据分层后深度的范围划分渲染过程中的所属层，每层单独存储各自的VSM；步骤5，分别使用VSM算法输出阴影效果，渲染整体场景。一阶原点矩和二阶原点矩的计算公式为，其中，M1和M2分别为一阶原点矩和二阶原点矩，x为深度值，p(x)为概率密度函数，E(·)表示期望。深度值的期望和方差的计算公式为，μ＝E(x)＝M1(3)其中，μ和σ为深度值的期望和方差。利用切比雪夫不等式求出范围内概率上限的过程为，根据切比雪夫不等式及其概率分布可知，其中，ε为任意常数；另t＝E(x)+ε，且[t-E(x)]2≥E(|x-E(x)|2)＝σ2，式(5)可转化为，预分层函数的表达式为，其中，mi和ni分别为第i层的上下界。通过预分层函数将场景中各物体的深度值都压缩在各层空间中，层数i越多则方差的偏差越小。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术提出的一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法，针对传统算法的不足，对其进行改进，经改进算法处理后的场景有效克服了漏光问题，获得高质量的阴影效果。附图说明图1为本专利技术的流程图。图2为切比雪夫不等式概率分布图。图3为改进前VSM算法生成的光影图。图4为本专利技术生成的光影图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图1所示，一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法，包括以下步骤：步骤1，根据场景中各物体的深度值，计算一阶原点矩和二阶原点矩。一阶原点矩和二阶原点矩的计算公式为：其中，M1和M2分别为一阶原点矩和二阶原点矩，x为深度值，p(x)为概率密度函数，E(·)表示期望。步骤2，计算出深度值的期望和方差，利用切比雪夫不等式求出范围内概率上限，对深度值进行滤波处理。深度值的期望和方差的计算公式为：μ＝E(x)＝M1(3)其中，μ和σ为深度值的期望和方差。利用切比雪夫不等式求出范围内概率上限的过程为：根据如图2所示的切比雪夫不等式及其概率分布可知：其中，ε为任意常数；另t＝E(x)+ε，且[t-E(x)]2≥E(|x-E(x)|2)＝σ2，式(5)可转化为：步骤3，使用预分层函数对滤波后的深度值进行分层处理。预分层函数的表达式为：其中，mi和ni分别为第i层的上下界。步骤4，根据分层后深度的范围划分渲染过程中的所属层，每层单独存储各自的VSM。通过预分层函数将场景中各物体的深度值都压缩在各层空间中，层数i越多则方差的偏差越小。如全部深度值分为4层：[0，0.27]、[0.25，0.52]、[0.5，0.77]、[0.75，1]，每层区间设置0.02的间距，以处理相邻层的边界问题。步骤5，分别使用VSM算法输出阴影效果，渲染整体场景。为了进一步说明上述方法，做了以下对比，分别采用改进前VSM算法和改进后VSM算法渲染场景，具体结构如图3和4，从图中可得出上述方法有效克服了漏光问题，获得高质量的阴影效果。以上所述仅是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1，根据场景中各物体的深度值，计算一阶原点矩和二阶原点矩；步骤2，计算出深度值的期望和方差，利用切比雪夫不等式求出范围内概率上限，对深度值进行滤波处理；步骤3，使用预分层函数对滤波后的深度值进行分层处理；步骤4，根据分层后深度的范围划分渲染过程中的所属层，每层单独存储各自的VSM；步骤5，分别使用VSM算法输出阴影效果，渲染整体场景。

【技术特征摘要】
1.一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1，根据场景中各物体的深度值，计算一阶原点矩和二阶原点矩；步骤2，计算出深度值的期望和方差，利用切比雪夫不等式求出范围内概率上限，对深度值进行滤波处理；步骤3，使用预分层函数对滤波后的深度值进行分层处理；步骤4，根据分层后深度的范围划分渲染过程中的所属层，每层单独存储各自的VSM；步骤5，分别使用VSM算法输出阴影效果，渲染整体场景。2.根据权利要求1所述的一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法，其特征在于：一阶原点矩和二阶原点矩的计算公式为，M1=E(x)=∫-∞∞xp(x)dx---(1)]]>M2=E(x2)=∫-∞∞x2p(x)dx---(2)]]>其中，M1和M2分别为一阶原点矩和二阶原点矩，x为深度值，p(x)为概率密度函数，E(·)表示期望。3.根据权利要求2所述的一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法，其特征在于：深度值的期望和方差的计算公式为，μ＝E(x)＝M1(3)σ2=E(x2)-E(x)2=M2-M12---(4)]]>其中，μ和σ为深度值的期望和方差。4.根据权利要求3所述的一种基于分层VSM的虚拟场景阴影渲染优化算法，其特征在于：利用切比雪夫不等式求出范围内概率上限的过程为，根据切比雪夫不等式及其概率分布可知，P(|x-E(x)|≥ϵ)≤σ22ϵ2&Doub...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡华，吴頔，翁海峰，
申请(专利权)人：中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32