一種三維場景中海量模型實時陰影的顯示方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機三維態(tài)勢顯示處理領域，具體地說是一種三維場景中海量模型 實時陰影的顯示方法。
【背景技術】
[0002] 實時陰影仿真技術是增加虛擬場景真實感的關鍵技術，在三維游戲、虛擬訓練系 統(tǒng)、三維地理信息系統(tǒng)等方面有著廣泛的應用。其中，陰影是比較常用的一種仿真技術，近 年來該技術提出的算法很多，整體性能在向好的方向發(fā)展，同時仿真的效果也越來越真實， 但在海量模型的實時陰影處理方面均存在一些效率上的瓶頸。本發(fā)明通過充分解析三維模 型數(shù)據(jù)結構，應用陰影形成理論以及底層渲染引擎的工作原理，對陰影的構建算法進行了 改進，大幅提升了海量模型實時陰影的處理效率。
[0003] 通常情況下，在三維場景中，傳統(tǒng)的陰影計算算法都是直接遍歷每個面，再記錄并 統(tǒng)計每個面的鄰接邊，后續(xù)再在鄰接邊中篩選出輪廓邊，計算量大、效率低，如圖4所示。另 外當前通用的陰影處理都是按照統(tǒng)一的全球日出日落時間，從而導致在不同季節(jié)、不同地 區(qū)的陰影顯示與實際情況不相符，影響了陰影的真實性。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種三維場景中海量模型實時陰影的顯示方法，該方法可 以在三維場景中，根據(jù)模型的位置和時間，通過優(yōu)化陰影的生成算法，提升陰影的生成效 率，能快速地實現(xiàn)海量模型數(shù)據(jù)的實時陰影計算，能真實地表現(xiàn)模型的陰影效果。
[0005] 本發(fā)明公開了一種三維場景中海量模型實時陰影的顯示方法，包括：
[0006] 步驟1，陰影創(chuàng)建；
[0007] 步驟2，形成模型陰影體；
[0008] 步驟3,構建陰影體；
[0009] 步驟4，對陰影體進行渲染。
[0010] 本發(fā)明步驟1陰影創(chuàng)建中，加載并解析模型，獲取模型的網格節(jié)點，從網格節(jié)點中 提取模型坐標空間的坐標信息（X、Y、Z)、點信息和面結構信息，計算每個面的法向量 Normal,，其中i表示面的索引序號，形成對應面結構信息，每個面最多有三個鄰接面，若沒 有鄰接面則法向量賦空，由此得到模型所處位置。
[0011] 本發(fā)明步驟2形成模型陰影中，根據(jù)模型所處位置，計算太陽位置以及太陽光方 向，將太陽位置坐標轉換到模型坐標空間，對模型的每個面進行向光性計算，并進行共享邊 的計算，針對每個鄰接邊，構建陰影。
[0012] 本發(fā)明步驟2包括：
[0013] 步驟2.1，根據(jù)模型所在位置的經煒度信息Lng與Lat計算日出與日落時間，計算太 陽位置以及太陽光方向，：
[0014] 記當前時間為T，分別為年、月、日、時、分、秒，將T表示為：
[0015] T= {Year，Month、Day、Hours、Minute、Second};
[0016] 記當前時區(qū)為Tzone，Tzone由偏離率Bias與標準偏離率StandardBias組成，將 Tzone表亦為：
[0017] Tzone = {Bias，StandardBias};
[0018] 記日出時間為Tsunrise，日落時間為Tsunset，各由兩個元素組成，分別為小時、分，將 Tsunrise 與 T sunset 表示為：
[0019] Tsunrise= {Hour，Minute}，
[0020] Tsunrise. η· = 24 · 0*cos(Lat*PI/l 80)+Tzone .Bias/24.0+cos(Lat*PI/l 80 )/360;
[0021] 其中1^"也(3.11。虹為日出時間中的小時項，？1為標準圓周率、了20116.81 &8為時區(qū)的偏 離率；
[0022] 日出時間中的分鐘項T_rise · Minute = 60 · 0* (T_rise · Hour/24);
[0023] Tsunset= {Hour,Minute},
[0024] 日落時間中的小時項Tsunset · Hour = 24 · 0*cos(Lat*PI/180)+Tzone · Bias/24 · 〇-cos(Lat*PI/180)/360;
[0025] 日落時間中的分鐘項T sunset. Minute = 60.0*(T sunset. Hour/24)；
[0026] 若T的時、分均在日出與日落時間范圍內，即Tsunset.HouKT.Hou rs〈Tsunrise.H·， Tsunset · Η〇??！处?· MinUte^T'sumrise.Minute ? 則繼續(xù)以下過程計算太陽位置：
[0027] 記太陽位置Veclight = {x，y，z}，Veclight.x，Veclight.y，Veclight.z分別代表 世界坐標下三個方向的分量，單位為米，貝太陽光方向向量Dirlight的計算過程如下：
[0028] L=sqrt(Veclight.x*Veclight. x+Vecl ight .y*Veclight.y+Veclight.z* Veclight.z))；
[0029]
[0030] L為中間參數(shù)，sqrt為開根號；
[0031 ]步驟2.2，將太陽位置坐標轉換到目標模型坐標空間：
[0032] 記太陽位置向量為Veclight，進行如下步驟：
[0033] 計算放縮轉換矩陣Matscale，用于保持物體的大小與實際比例一致：
[0034]
[0035]計算偏移矩陣Mattrans，用于使模型放置在正確的位置：
[0036]
[0037] 上式中V. X，V. y，V. z分別代表模型的空間坐標位置，單位為米；
[0038]根據(jù)模型的經經煒度計算旋轉矩陣Matrcitate，用于使模型保持正向：
[0039]
[0040]上式中l(wèi)ng、lat分別為模型的經煒度；
[0041 ] 記目標模型矩陣為MaU-i，目標模型矩陣的逆矩陣為MatInvers_dei，
[0042] Mcltmodel-Miltr〇tatel*M￡ltscale*M￡lttrans，
[0043] Mcltinversemodel-Mcltmodel ；
[0044] 符號表示逆矩陣，；
[0045] 進行賦值操作，將Vecl ight在Matinvers_dei做轉換，公式為；
[0046] Vecl ight = Vecl ight*MatinverseM〇dei；
[0047] 步驟2.3,計算輪廓邊：
[0048] 遍歷每個基本面即原始模型的三角面片，計算其法向量與太陽光方向夾角，判斷 其向光性，依次計算基本面的三條邊El、E2、E3所對應的鄰接面的向光性，若鄰接面的向光 性與基本面的向光性不一致，則判定兩者之間的公共邊為輪廓邊;若基本面的指定邊沒有 鄰接面，則直接判定該邊為輪廓邊；
[0049]計算出當前面的法向量之后，根據(jù)光源位置判斷當前面是否是背光面，如果當前 面面對光源時j <a 則cost(a)〈0,即當前面法向量與入射光線方向向量的點積小于 〇;所以只有法向量與與入射光線的點積大于〇,即c〇st(a)>0時，表示該面背對光源，記面的 向光性為FaceLight:
[0050]
[0051] 上式中，j表示面的索引序號當太陽光入射角與面向量之間的夾角大于90度且小 于180度時，其為向光面，否則為背光面；
[0052] 步驟2.4,獲取共享邊：
[0053]如果三角面片A的三個頂點序號為{Vo JhVd，三角面片A的鄰接面的頂點序號為 {AdjVo、AdjVi、AdjV2}，則鄰接邊AdjEdge的計算算法如下：
[0054]
[0055]上述公式中，k表示公共邊索引，記三角面A的三個頂點為，其相鄰的三 角面B的頂點為0心飛〇^(^飛1^(^飛2}，在三角面4與8不重合的情況下，則兩個三角面片之間 最多只有一個公共邊;若A與B重合，則二者有三個公共邊，此時只取三角面A做向光性分析， 對三角面B不做處理;若三角面A與B相離，則二者沒有公共邊。
[0056]本發(fā)明步驟3針對每個鄰接邊，構建陰影：
[0057] 記每條輪廓邊的兩個頂點為V^Vs，光照方向向量為Vllght，則別在地面上的 投影點V3、V4計算過程如下：
[0058] V3 = Vi-Viight,
[0059] V4=V2-Viight〇
[0060] 本發(fā)明步驟4對陰影進行渲染:對形成的陰影進行渲染，再通過模板技術對陰影著 色。
[0061 ]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下的優(yōu)點：
[0062] 1)對陰影體的形成算法