本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，尤其涉及一種基于gpu的不可見對(duì)象剔除方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、不可見對(duì)象剔除是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的一個(gè)基本問題。如今，用戶對(duì)于3d圖形系統(tǒng)的畫面要求越來越高，畫面繪制越來越精致，需要在硬件配置有限的情況下保證交互體驗(yàn)的實(shí)時(shí)性。因而在計(jì)算機(jī)的圖形繪制中，將一些最終在畫面上因被其他物體遮擋而看不見的物體提前去除，再交給硬件渲染，是行之有效的一種優(yōu)化方式。

2、不可見對(duì)象剔除的常用手段為背面剔除、視錐剔除和遮擋剔除三方面。幾乎所有的渲染引擎都會(huì)內(nèi)置這些剔除手段。背面剔除是指將背面朝向攝像機(jī)的三角形剔除，因?yàn)閷?duì)最終畫面的生成沒有貢獻(xiàn)，在渲染引擎中都已實(shí)現(xiàn)，只需要開啟api即可。而視錐剔除會(huì)將觀察攝像機(jī)視錐體外的模型剔除，通常是將物體的軸對(duì)齊包圍盒與視錐體進(jìn)行檢測(cè)，判斷視錐體的六個(gè)平面方程法向量與包圍盒頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)乘，如果包圍盒頂點(diǎn)坐標(biāo)與某一個(gè)平面方程的點(diǎn)乘信息皆為正或負(fù)值，代表該物體不在視錐體內(nèi)部。當(dāng)涉及遮擋剔除時(shí)，核心思想是從后續(xù)處理流程中排除那些因?yàn)槠渌矬w遮擋而變得不可見的物體。這一方案有幾種主要的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)，包括潛在可視集方法、遮擋查詢方法以及層次化z緩沖區(qū)等方法。

3、傳統(tǒng)的層次化z緩沖區(qū)方案，通過八叉樹對(duì)空間進(jìn)行分割，并通過對(duì)z緩沖值降采樣的方法來生成一個(gè)層次z緩沖結(jié)構(gòu)，也稱為z金字塔，對(duì)物體的剔除可以從分辨率低到高作層級(jí)遮擋查詢和剔除，效率相比直接對(duì)分辨率最高的深度圖進(jìn)行比對(duì)更高。

4、但是，上述視錐剔除和層次化z緩沖區(qū)剔除的一大問題在cpu上計(jì)算量大，對(duì)cpu的負(fù)載過大?，F(xiàn)有的一些用于優(yōu)化計(jì)算的方案有使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算速度的；也有提前預(yù)計(jì)算一部分?jǐn)?shù)據(jù)減少實(shí)時(shí)消耗的，但效果仍然不甚理想。在低端平臺(tái)上運(yùn)行依舊占據(jù)較大性能。

5、因此，為了使視錐剔除與層次z緩沖遮擋剔除方案得到更廣泛的應(yīng)用，需要有一種高效的計(jì)算提高剔除效率，減少對(duì)cpu的負(fù)擔(dān)，使低端設(shè)備也能較快運(yùn)行上述剔除手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于gpu的不可見對(duì)象剔除方法和系統(tǒng)，系統(tǒng)包括視錐剔除和遮擋剔除兩個(gè)模塊。該發(fā)明的技術(shù)方案是通過一下內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)的：

2、本發(fā)明的第一方面：一種基于gpu的不可見對(duì)象剔除方法，該方法包括以下步驟：

3、(1)構(gòu)建模型：構(gòu)建不可見對(duì)象剔除模型，所述模型包括視錐剔除和遮擋剔除兩個(gè)部分；

4、(2)視錐剔除：計(jì)算觀察攝像頭定義的視錐體的六個(gè)平面方程及每個(gè)觀察物體在世界坐標(biāo)系中的位置；通過分析每個(gè)物體的坐標(biāo)位置相對(duì)于各視錐平面的空間關(guān)系，即判斷坐標(biāo)點(diǎn)是位于各平面的正向還是反向；若物體對(duì)所有相關(guān)平面均位于正向或反向，則確認(rèn)其處于視錐體之外，從渲染隊(duì)列中剔除；

5、(3)遮擋剔除：通過當(dāng)前幀的深度圖在gpu中生成層次化z緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，并把物體的包圍盒信息和坐標(biāo)信息傳遞給gpu與層次化z緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將被完全遮擋的物體從渲染隊(duì)列中剔除。

6、進(jìn)一步地，，所述步驟(2)中視錐體的六個(gè)平面方程具體獲得方法為：

7、(2.1)獲得視錐體近平面和遠(yuǎn)平面的點(diǎn)坐標(biāo)；

8、(2.2)獲得觀察攝像機(jī)的拍攝向量；

9、(2.3)通過步驟(2.2)得到的拍攝向量以及步驟(1)得到的近平面和遠(yuǎn)平面的坐標(biāo)，通過法向量與點(diǎn)的計(jì)算公式得到近平面和遠(yuǎn)平面的方程，計(jì)算公式如下：

10、nxx+nyy+nzz-(nxx0+nyy0+nzz0)＝0；

11、其中x，y，z表示平面的變量；nx,ny,nz表示觀察攝像機(jī)的拍攝向量，x0,y0,z0表示近平面或遠(yuǎn)平面上點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

12、(2.4)通過視錐體遠(yuǎn)平面的四個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)，以及攝像機(jī)坐標(biāo)，通過叉乘公式獲得三點(diǎn)所在平面的法向量，再通過法向量以及一個(gè)坐標(biāo)由步驟(3.3)公式獲得上下左右的平面方程，法向量n的計(jì)算公式如下：

13、

14、其中ax,ay,az、bx,by,bz、cx,cy,cz代表平面的三個(gè)坐標(biāo)，為ax,ay,az、bx,by,bz兩坐標(biāo)形成的向量，為ax,ay,az、cx,cy,cz兩坐標(biāo)形成的向量，n為法向量。

15、進(jìn)一步地，所述步驟(2)分析每個(gè)物體的坐標(biāo)位置相對(duì)于各視錐平面的空間關(guān)系，即為判斷坐標(biāo)點(diǎn)是位于各平面的正向還是反向，具體為：

16、(3.1)通過物體的自身坐標(biāo)信息和物體的大小獲得物體的包圍盒信息；

17、(3.2)將包圍盒的八個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)從自身坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)；

18、(3.3)通過所述視錐體的六個(gè)平面方程法向量與包圍盒頂點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)乘，如果包圍盒頂點(diǎn)坐標(biāo)與某一個(gè)平面方程的點(diǎn)乘信息皆為正或負(fù)值，則代表該物體不在視錐體內(nèi)部。

19、具體地，所述步驟(3)中的當(dāng)前幀的深度圖為在渲染管線中的光柵化階段時(shí)得到，利用gpu計(jì)算的不透明物體的網(wǎng)格在對(duì)應(yīng)像素上的深度，取值范圍為0到1的浮點(diǎn)數(shù)。

20、具體地，所述步驟(3)生成層次化z緩沖區(qū)數(shù)據(jù)為當(dāng)前幀的深度圖通過降采樣的方法獲得的層次化深度圖數(shù)據(jù)，以當(dāng)前幀的深度圖作為初始，使用當(dāng)前降采樣的深度圖，每次取2*2的像素深度最大的深度值作為采樣值，以此類推，直到無法繼續(xù)降采樣。

21、進(jìn)一步地，所述步驟(3)物體的包圍盒信息和坐標(biāo)信息傳遞給gpu與層次化z緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，具體為：

22、(3.1)通過物體包圍盒坐標(biāo)信息計(jì)算該物體的深度值；

23、(3.2)通過物體包圍盒坐標(biāo)信息獲得該物體在屏幕上覆蓋的像素區(qū)域范圍；

24、(3.3)根據(jù)上述的物體深度值與對(duì)應(yīng)層級(jí)的深度圖進(jìn)行比對(duì)，如果深度值比深度圖位置的深度值大，代表該物體被遮擋，將該物體從渲染隊(duì)列中剔除。

25、進(jìn)一步地，所述步驟(3.1)中通過物體包圍盒坐標(biāo)信息計(jì)算該物體的深度值，具體為：

26、(3.1.1)計(jì)算物體包圍盒各個(gè)頂點(diǎn)在歸一化設(shè)備坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)值；

27、(3.1.2)通過包圍盒頂點(diǎn)的歸一化設(shè)備坐標(biāo)，重新生成坐標(biāo)軸平行包圍盒；

28、(3.1.3)找到以觀察坐標(biāo)系為法線的距離更近的平面，該平面的z值為該物體的深度值。

29、進(jìn)一步地，所述步驟(3.2)中通過物體包圍盒坐標(biāo)信息獲得該物體在屏幕上覆蓋的像素區(qū)域范圍，具體為：

30、(3.2.1)由上述步驟(3.1.3)中找到的以觀察坐標(biāo)系為法線的距離更近的平面，計(jì)算其面積，能夠獲取到該平面在歸一化設(shè)備坐標(biāo)空間中所占的像素區(qū)域大?。?/p>

31、(3.2.2)將該大小與圖片初始分辨率相乘，獲得原本坐標(biāo)軸平行包圍盒覆蓋的屏幕像素區(qū)域。

32、本發(fā)明的第二方面：提供了一種基于gpu的中不可見對(duì)象剔除系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括以下模塊：

33、構(gòu)建模型模塊：構(gòu)建不可見對(duì)象剔除模型，所述模型包括視錐剔除和遮擋剔除兩個(gè)部分；

34、視錐剔除模塊：計(jì)算觀察攝像頭定義的視錐體的六個(gè)平面方程及每個(gè)觀察物體在世界坐標(biāo)系中的位置；通過分析每個(gè)物體的坐標(biāo)位置相對(duì)于各視錐平面的空間關(guān)系，即判斷坐標(biāo)點(diǎn)是位于各平面的正向還是反向；若物體對(duì)所有相關(guān)平面均位于正向或反向，則確認(rèn)其處于視錐體之外，從渲染隊(duì)列中剔除；

35、遮擋剔除模塊：通過當(dāng)前幀的深度圖在gpu中生成層次化z緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，并把物體的包圍盒信息和坐標(biāo)信息傳遞給gpu與層次化z緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將被完全遮擋的物體從渲染隊(duì)列中剔除。

36、本發(fā)明的有益效果如下：

37、該系統(tǒng)使用gpu在實(shí)時(shí)渲染場(chǎng)景下做到快速剔除觀察攝像頭內(nèi)不可見物體。提高了渲染效率，降低了cpu的計(jì)算負(fù)擔(dān)，使使視錐剔除與層次z緩沖遮擋剔除方案得到更廣泛的應(yīng)用。

38、該系統(tǒng)和渲染步驟可用在cpu負(fù)載較大的渲染應(yīng)用上，如城市游覽應(yīng)用，游戲客戶端，因?yàn)槊恳粠夹枰獔?zhí)行人物等復(fù)雜模型的物理、動(dòng)畫計(jì)算，以及相關(guān)的特效、業(yè)務(wù)邏輯，存在較大的開銷，所以可以通過gpu的高效并行計(jì)算性能，快速剔除觀察攝像機(jī)不可見的物體，提升性能。