一种环境贴图映射方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例公开了一种环境贴图映射方法，包括以下步骤：第一步，将球体分为三部分；第二步，设置贴图的尺寸；第三步骤，将侧面部分和顶面/底面分别采用不同的纹理坐标映射的方式映射到纹理坐标系。本发明专利技术在接近人眼垂直可视范围内采用了保真度较高、运算简单的圆柱投影，由于其共形映射的特点，从而使得在观察街景等场景时获得较好的效果。在南北两个圆盖的处理上，本发明专利技术将圆盖尽可能均匀地映射到矩形贴图上，通过调整南北圆盖矩形贴图的大小，可以消除南北圆盖和赤道附近区域之间的接缝，并减少南北两极的存储消耗。通过确保映射的连续性，消除了传统圆柱映射中南北两个极点的像素聚集问题。

【技术实现步骤摘要】
一种环境贴图映射方法及装置
本专利技术实施例涉及一种计算机图形学方法，具体涉及一种环境贴图映射方法。本专利技术实施例还涉及一种采用环境贴图映射方法的装置。
技术介绍
环境映射是在计算机图形渲染中使用预先计算的纹理图像模拟视点周围环境画面的一种高效方法。纹理用于存储视点周围环境的图像，将二维的纹理以某种方式映射到环境球表面，从而模拟视点周围的环境画面。环境映射有着广泛的应用：比如360度街景渲染、室内展示、车内环境展示、以及360度VR视频等。现有的环境映射(EnvironmentMapping)方法有以下几种：球形映射(SphericalMap)：是一种最为简单的环境映射方法；给定一个半径为1的球体，球体表面上任意一点<x,y,z>满足：x2+y2+z2＝1，令p＝sqrt(x2+y2+(z+1)2)，则该点的纹理坐标为(x/2p+0.5,y/2p+0.5)。其优点是简单，而缺点在于：拉伸和扭曲明显，特别是在z接近于0时，即球体的赤道周围。这在展示街景等环境时是一个致命缺陷。另外贴图并未得到有效利用，存在无效空白区域。双抛物面环境映射(DualParaboloidEnvironmentMapping)：双抛物面环境映射实际上是对球形映射的改进。采用了双抛物面，改进了边缘处的扭曲和拉伸，并支持了360度的环境映射。其缺点是：依然存在扭曲和拉伸；同球形映射一样，也存在着贴图浪费的问题。圆柱映射(CylindricalMap)：给定一个半径为1的球体，在球面坐标系下，球体表面上任意一点可以用θ和来表示。其中，θ被称为极角(polarangle)，其取值范围为[0,π]；而被称为方位角(azimuthalangle)，其取值范围为[0,2*π]。则球面上任意一点的纹理坐标为其优点是：圆柱映射是一种共形映射(所谓共形映射，即保角映射，是指当一个区域被映射到另一个区域时，保持角度不变)，在人眼可视范围内保真度较高，适合用于展示街景等环境。格式简单，普及率较高，许多环境贴图以圆柱映射的方式进行提供。缺点在于：南北两极存在像素聚集情况，且存储空间耗费较多。立方体映射(CubeMap)：给定一个半径为1的球体，根据球体表面上任意一点<x,y,z>首先找到最大的分量，用于定位球体的外接立方体面，然后在该平面上计算出纹理坐标。标准的立方体映射分为6个面，其顺序是：X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向、Z轴正方向、Z轴负方向。其优点是：相对简单，已有相应的硬件实现加速。缺点在于：对于人眼通常不关心的南北两极依然使用了和球体侧面相同的采样率。等方立方体映射(IsoCube)：IsoCube映射实际上是立方体映射的一个变种。不同于立方体映射，该技术尝试将球面更加均匀地映射到立方体上。其优点是：相对于立方体映射更加均匀。缺点在于：非共形映射，存在像素扭曲问题。对于人眼通常不关心的南北两极依然使用了和球体侧面相同的采样率。另外由于其普及率不高，要求对已经存在的环境贴图进行重新采样，这将导致贴图精度下降。HEALPix映射，HEALPix映射全称为HierarchicalEqualAreaisoLatitudePixelization。该方法首先将球体分割为12个面积相同的四边形区块，然后递归地将区块细分为更小的四边形区块。不过，要针对HEALPix映射方式进行反走样采样需要特制的算法，使得其映射运算较为复杂。其优点是：整个球体实现了均匀映射、面积一致、扭曲小。缺点在于：运算较为复杂。对于360度街景这样对南北两极关注不高的使用情景，并未对南北两极进行优化。综上，在使用360度环境球展示静态场景时，上述环境映射方法不能很好地同时满足低存储空间消耗、高图像质量的需求。球形映射(SphericalMap)及其改进方法双抛物面映射(DualParaboloidEnvironmentMapping)存在着贴图浪费问题，以及在映射边界处像素扭曲和聚集的问题；基于经纬度的圆柱映射(CylindricalMap)在人眼可视范围内效果较好，但在南北两极存在像素聚集以及大量存储空间被浪费的问题；立方体映射(CubeMap)、等方立方体映射(IsoCube)、HEALPix映射则浪费了较多存储空间，用于存储非兴趣区域，即环境球南北两极的像素。
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部分共形的环境贴图映射方法，它可以使用更少的数据量，达到在人眼可视范围内近似同等的效果，并同时解决圆柱映射在南北两极的像素聚集的问题。本专利技术提出的部分共形的环境贴图映射方法的技术解决方案包括以下步骤：第一步，将环境球球体分为三部分：侧面部分：θ取值范围为[π/2-A1,π/2+A2]的球面部分；顶面：θ取值范围为[0,π/2–A1)的球面顶部圆盖部分；底面：θ取值范围为(π/2+A2,π)的球面底部圆盖部分；其中，θ为球面坐标系中球体表面上任意一点的方向向量与Z轴的夹角；球面坐标系是指给定一个半径为1的球体，在球面坐标系下，球体表面上任意一点用极角θ和方位角来表示，θ的取值范围为[0,π]，的取值范围为[0,2π]；角度A1的取值范围为0＜A1＜π/2；角度A2的取值范围为0＜A2＜π/2；优选地，所述第一步中A1和A2的取值为π/6≤A1≤π/3，测试结果表明，所述第一步中A1和A2的最佳取值为π/4。第二步，设置贴图的尺寸为：令侧面部分对应的贴图宽度为N，N的取值为2的幂；则每部分对应的贴图大小分别为：侧面部分：贴图宽度为N,高为S1×N×((A1+A2)/(2π))；其中，S1为缩放系数；顶面/底面部分：贴图宽度为S2×N/4，高为S3×N/4；其中，S2和S3均为缩放系数。优选地，所述S1、S2、S3的取值为1，则顶面和底面的圆盖部分贴图的宽和高为N/4，侧面部分贴图的宽为N。第三步，将侧面部分和顶面/底面分别采用不同的纹理坐标映射的方式映射到纹理坐标系，所述纹理坐标系是指以贴图的水平方向为u轴，垂直方向为v轴，贴图的四个角的坐标分别为(0，0)、(1，0)、(0，1)、(1，1)的坐标系，所述侧面部分和所述顶面/底面圆盖映射后的形状与所述贴图的尺寸相匹配。进一步地，所述第三步中侧面部分的纹理坐标为：v＝(θ-A1)/(A1+A2)；其中，为球面坐标系中球体表面上任意一点的方向向量投影到XY平面与X轴的夹角；u为纹理坐标系中水平方向的坐标值；v为纹理坐标系中垂直方向的坐标值。进一步地，所述第三步中顶面/底面部分的纹理坐标映射方法为：将顶面/底面圆盖进行均匀切分，每块分别映射到矩形的一部分位置上。更进一步地，将顶面/底面圆盖均匀切分为4份，每份分别映射到矩形的对应位置；将圆盖上任意一点到圆盖中心点的最短球面弧度距离定义为D，令L为将D归一化到[0,0.5]范围内的数值，则顶面圆盖上任意一点的L值为：0.5×θ/(π/2-A1)，而底面圆盖上任意一点的L值为：0.5×(π-θ)/(π/2-A2)；定义为将的取值范围映射到[-π/4,7×π/4)的数值，也就是：(当时)(当时)则顶面/底面圆盖的纹理坐标分为以下4种情况，分别对应于4个区域：第一种，v＝0.5+L第二种，u＝0.5+L第三种，v＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环境贴图映射方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，将环境球球体分为三部分：侧面部分：θ取值范围为[π/2‑A1,π/2+A2]的球面部分；顶面：θ取值范围为[0,π/2–A1)的球面顶部圆盖部分；底面：θ取值范围为(π/2+A2,π]的球面底部圆盖部分；其中，θ为球面坐标系中球体表面上任意一点的方向向量与Z轴的夹角；球面坐标系是指给定一个半径为1的球体，在球面坐标系下，球体表面上任意一点用极角θ和方位角

【技术特征摘要】
1.一种环境贴图映射方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，将环境球球体分为三部分：侧面部分：θ取值范围为[π/2-A1,π/2+A2]的球面部分；顶面：θ取值范围为[0,π/2–A1)的球面顶部圆盖部分；底面：θ取值范围为(π/2+A2,π]的球面底部圆盖部分；其中，θ为球面坐标系中球体表面上任意一点的方向向量与Z轴的夹角；球面坐标系是指给定一个半径为1的球体，在球面坐标系下，球体表面上任意一点用极角θ和方位角来表示，θ的取值范围为[0,π]，的取值范围为[0,2π]；角度A1的取值范围为0＜A1＜π/2；角度A2的取值范围为0＜A2＜π/2；第二步，设置贴图的尺寸；第三步，将侧面部分和顶面/底面分别采用不同的纹理坐标映射的方式映射到纹理坐标系，所述纹理坐标系是指以贴图的水平方向为u轴，垂直方向为v轴，贴图的四个角的坐标分别为(0，0)、(1，0)、(0，1)、(1，1)的坐标系，所述侧面部分和所述顶面/底面圆盖映射后的形状与所述贴图的尺寸相匹配。2.根据权利要求1所述的环境贴图映射方法，其特征在于，所述第一步中A1和/或A2的取值为：角度A1的取值范围为π/6≤A1≤π/3；角度A2的取值范围为π/6≤A1≤π/3。3.根据权利要求2所述的环境贴图映射方法，其特征在于，所述第一步中A1和/或A2的取值为π/4。4.根据权利要求1所述的环境贴图映射方法，其特征在于，所述第二步中设置贴图的尺寸为：令侧面部分对应的贴图宽度为N，则每部分对应的贴图大小分别为：侧面部分：贴图宽度为N,高为S1×N×((A1+A2)/(2π))；其中，S1为缩放系数；顶面/底面部分：贴图宽度为S2×N/4，高为S3×N/4；其中，S2和S3均为缩放系数。5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：任麒麟，宋健，江淑红，熊春雷，张小军，
申请(专利权)人：视辰信息科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31