CN108230430B - 云层遮罩图的处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种云层遮罩图的处理方法及装置。其中，该方法包括：获取待映射至天空球模型的云层遮罩图；对云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到水平高度上的云层遮罩值。本发明解决了相关技术中在低功耗移动设备上实时渲染的云景无法平行于地面运动的技术问题。

Description

云层遮罩图的处理方法及装置

技术领域

本发明涉及图像处理领域，具体而言，涉及一种云层遮罩图的处理方法及装置。

背景技术

目前，相关技术中适合低功耗移动设备(其可以包括但不限于：智能手机及平板电脑)计算性能所采用的方式通常是采用一个半球形几何体网格模型，并通过着色器对一张可以无缝包裹该半球形几何体网格模型的天空纹理贴图采样并实时渲染出天空云景。图1是根据相关技术的适合低功耗移动设备计算性能所常用的一种天空球模型的运用效果图，如图1所示，通过着色器对无缝包裹半球形几何体网格模型的天空纹理贴图采样并实时渲染出天空云景，得到该图中所呈现的效果。此外，相关技术中还提供了相对于上述方案的改进方案。在计算机图形学中，对于三维模型而言，存在两个最为重要的坐标系统，其一是顶点的位置(X，Y，Z)坐标，其二则是纹理贴图UV坐标。简而言之，纹理贴图UV坐标即为贴图影射到模型表面的依据。广而言之，其实应该是(U，V，W)坐标(以便与XYZ坐标相区分)，其中，U和V分别为纹理贴图在显示器水平与垂直方向上的坐标，取值通常为0-1，换言之，可以表示水平方向的第U个像素/图片宽度，垂直方向的第V个像素/图片高度；另外，坐标W的方向垂直于显示器表面，通常用于程序贴图或者特定三维(3D)贴图技术，但对于游戏而言通常不会使用到W，故而简称为UV坐标。图2是根据相关技术的一种天空球模型的运用实例的示意图，如图2所示，通常可以沿半球形几何体模型纹理坐标u方向移动天空纹理贴图，从而产生云层运动的错觉。然而，此种方案的缺陷在于：用户很容易察觉出云层运动方式缺乏真实性，即云景是围绕天空球中心周而复始地旋转。另外，还可以沿半球形几何体模型纹理坐标v方向移动天空纹理贴图，从而产生云层平移的效果。上述处理方式虽然能够直接避免因完全细致构建大量重叠半透明三维物体(例如：为了模拟云景而在天空球内摆放大量带有半透明云纹理贴图的面片)所带来的过度绘制(Overdraw)问题，从而防止出现掉帧现象，但是由于云层纹理实际上是贴着天空球表面移动，其与真实世界的情形—在三维空间中云层在平行于地面的特定高度移动相距甚远，因此，同样缺乏真实性。

综上所述，相关技术中所提供的处理方式存在云景动态效果不够真实,无法表现云层在平行于地面特定高度移动的明显缺陷。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种云层遮罩图的处理方法及装置，以至少解决相关技术中在低功耗移动设备上实时渲染的云景无法平行于地面运动的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种云层遮罩图的处理方法，包括：

获取待映射至天空球模型的云层遮罩图；对云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到水平高度上的云层遮罩值。

可选地，对云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到云层遮罩值包括：计算与云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息；通过对纹理贴图坐标信息对云层遮罩图进行采样处理，得到与云层遮罩图对应的像素信息；采用纹理贴图坐标信息和像素信息确定云层遮罩值。

可选地，采用以下公式计算与云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息：

其中,x,y和z分别表示世界空间直角坐标系的x轴，y轴和z轴，y轴指向地表的垂直方向，V表示视向量是通过在世界空间坐标系中采用天空球模型表面任意点坐标减去视点坐标来创建的，E表示视点坐标，height为自定义的常量参数，用于定义云层的高度值，tiling为自定义的常量参数，用于定义云层遮罩图的重复度，time表示当前时间，speed为自定义的变量参数，用于定义云层在水平方向上的移动速度。

可选地，上述像素信息包括：纹理的红色通道、绿色通道、蓝色通道和阿尔法通道，云层遮罩图存储于红色通道、绿色通道、蓝色通道与阿尔法通道中的任意一个通道。

可选地，采用纹理贴图坐标信息和像素信息确定云层遮罩值包括：获取待使用的图形应用程序接口；利用图形应用程序接口提供的纹理采样器内置的纹理查找函数结合纹理贴图坐标信息与像素信息进行计算，得到云层遮罩值。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种云层遮罩图的处理装置，包括：

获取模块，用于获取待映射至天空球模型的云层遮罩图；处理模块，用于对云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到水平高度上的云层遮罩值。

可选地，处理模块包括：计算单元，用于计算与云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息；采样单元，用于通过对纹理贴图坐标信息对云层遮罩图进行采样处理，得到与云层遮罩图对应的像素信息；处理单元，用于采用纹理贴图坐标信息和像素信息确定云层遮罩值。

可选地，计算单元，用于采用以下公式计算与云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息：

其中,x,y和z分别表示世界空间直角坐标系的x轴，y轴和z轴，y轴指向地表的垂直方向，V表示视向量是通过在世界空间坐标系中采用天空球模型表面任意点坐标减去视点坐标来创建的，E表示视点坐标，height为自定义的常量参数，用于定义云层的高度值，tiling为自定义的常量参数，用于定义云层遮罩图的重复度，time表示当前时间，speed为自定义的变量参数，用于定义云层在水平方向上的移动速度。

可选地，上述像素信息包括：纹理的红色通道、绿色通道、蓝色通道和阿尔法通道，云层遮罩图存储于红色通道、绿色通道、蓝色通道与阿尔法通道中的任意一个通道。

可选地，处理单元，用于获取待使用的图形应用程序接口，以及利用图形应用程序接口提供的纹理采样器内置的纹理查找函数结合纹理贴图坐标信息与像素信息进行计算，得到云层遮罩值。

在本发明实施例中，采用获取待映射至天空球模型的云层遮罩图的方式，通过对云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到水平高度上的云层遮罩值，达到了实时渲染的云景平行于地面运动的目的，从而实现了降低计算复杂度、提升处理速度、减小设备耗电量、缓解处理器发热量的技术效果，进而解决了相关技术中在低功耗移动设备上实时渲染的云景无法平行于地面运动的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的适合低功耗移动设备计算性能所常用的一种天空球模型的运用效果图；

图2是根据相关技术的一种天空球模型的运用实例的示意图；

图3是根据本发明实施例的云层遮罩图的处理方法的流程图；

图4是根据本发明优选实施例的云层遮罩图的处理方法中顶点着色器和像素着色器的数据处理过程示意图；

图5是根据本发明优选实施例的云层遮罩图的处理方法中光线从天空球表面穿过云层遮罩层到观察者示意图；

图6是根据本发明优选实施例的云层遮罩图的处理方法中对云层遮罩图进行渲染处理后的效果图；

图7是根据本发明实施例的云层遮罩图的处理装置的结构框图；

图8是根据本发明优选实施例的云层遮罩图的处理装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

近些年来，低功耗移动设备的图形处理器(Graphics Processing Unit，简称为GPU)性能的不断提高以及可编程性的不断发展，人们逐步将图形流水线的特定处理功能以及特定图形的算法从中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)转向GPU，其主要体现在中、小规模实时图形图像中。为了满足这种图形动态的真实感，本发明实施例所提供的技术方案在模拟云景的过程中采用了可编程的GPU加速技术。

目前，低功耗移动设备GPU图形硬件在顶点和像素级别中提供了灵活的可编程性，本发明实施例所提供的技术方案也是从这些特征中最大程度地挖掘GPU的性能。

根据本发明实施例，提供了一种云层遮罩图的处理方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图3是根据本发明实施例的云层遮罩图的处理方法的流程图，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤S30，获取待映射至天空球模型的云层遮罩图；

步骤S32，对云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到水平高度上的云层遮罩值。

通过上述步骤，采用获取待映射至天空球模型的云层遮罩图的方式，通过对云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到水平高度上的云层遮罩值，达到了实时渲染的云景平行于地面运动的目的，从而实现了降低计算复杂度、提升处理速度、减小设备耗电量、缓解处理器发热量的技术效果，进而解决了相关技术中在低功耗移动设备上实时渲染的云景无法平行于地面运动的技术问题。

可选地，在步骤S32中，对云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到云层遮罩值可以包括以下步骤：

步骤S320，计算与云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息；

步骤S321，通过对纹理贴图坐标信息对云层遮罩图进行采样处理，得到与云层遮罩图对应的像素信息；

步骤S322，采用纹理贴图坐标信息和像素信息确定云层遮罩值。

上述云层遮罩图是由美术人员基于预先设定的美术概念(例如：云的形态、云的密度等)来完成的，其为四方连续的且为灰度图，该灰度表示云层浓度，通过云层遮罩值可以区分云层和背景层。上述天空球模型是美术人员制作的带有天空贴图的面片模型。

图4是根据本发明优选实施例的云层遮罩图的处理方法中顶点着色器和像素着色器的数据处理过程示意图，如图4所示，在GPU数据处理流程图中，本发明实施例所提供的技术方案通过对像素着色器进行编程来实现实时动态云景的效果，其具体处理过程需要根据GPU性能的特点，可以采用一张云层遮罩图，将其映射在天空球模型上，这种建模的优势在于：建模速度快、效率高。具体地，首先通过像素着色器(shader)计算天空球模型的纹理贴图坐标UV值；然后使用该UV坐标值对云层遮罩图进行采样，得到像素信息；最后再结合纹理贴图坐标UV值和像素信息获取水平高度上的云层遮罩值。

在优选实施过程中，上述像素信息可以包括：纹理的红色通道、绿色通道、蓝色通道和阿尔法通道，云层遮罩图可以存储于红色通道、绿色通道、蓝色通道与阿尔法通道(Alpha Channel，即Alpha通道)中的任意一个通道。鉴于云层遮罩图是为度图，故而只需要占用一个通道，具体放置在哪个通道可以根据实际使用情况来决定，而其余通道则可以放置云层的其它信息，例如：法线信息等。优选地，上述云层遮罩图存储于Alpha通道中。

图5是根据本发明优选实施例的云层遮罩图的处理方法中光线从天空球表面穿过云层遮罩层到观察者示意图，如图5所示，在世界空间直角坐标系中，假设y轴指向垂直于地表方向，在步骤S320中，可以采用以下公式计算与云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息：

其中,x,y和z分别表示世界空间直角坐标系的x轴，y轴和z轴，y轴指向地表的垂直方向，V表示视向量是通过在世界空间坐标系中采用天空球模型表面任意点坐标减去视点坐标来创建的，E表示视点坐标，具体地，根据线性代数定义矢量a和矢量b相减得到的矢量可以表示为a和b的起点重合后，从b的终点指向a的终点的矢量。此处，在世界空间直角坐标系中的几何体表面任意点的坐标p_n(x1,y1,z1)减去相机位置坐标E(x2,y2,z2)所得到的结果即从视点指向几何体表面任意点的视向量

height为自定义的常量参数，用于定义云层的高度值，tiling为自定义的常量参数，用于定义云层遮罩图的重复度，time表示当前时间，speed为自定义的变量参数，用于定义云层在水平方向上的移动速度。

图6是根据本发明优选实施例的云层遮罩图的处理方法中对云层遮罩图进行渲染处理后的效果图，如图6所示，将上述图5中提到的height参数值设置为20.0、将tiling参数值设置为0.1时，便可得到渲染的水平高度上的云层遮罩值的效果图，相比于图1而言，其云层显示感觉更加真实。

可选地，在步骤S322中，采用纹理贴图坐标信息和像素信息确定云层遮罩值可以包括以下步骤：

步骤S3220，获取待使用的图形应用程序接口；

步骤S3221，利用图形应用程序接口提供的纹理采样器内置的纹理查找函数结合纹理贴图坐标信息与像素信息进行计算，得到云层遮罩值。

在优选实施例中，可以采用GLES、DirectX等图形应用程序接口提供的纹理采样器对云层遮罩图进行采样操作，纹理贴图的像素信息和纹理贴图坐标UV值信息通过纹理采样器中设置的纹理查找函数计算后得到云层遮罩值，进而能够实时呈现云层在平行于地面的特定高度上移动的视觉效果，形成更加逼真可信的空间感。

综上所述，像素着色器仅需通过一次计算便可将云层遮罩图渲染到平行于水平面的特定高度上，随后还可以采用上述经过处理的遮罩图计算其它更复杂的云景效果。

需要说明的是，在本发明提供的优选实施例中仅以云层遮罩值为例，对本发明所提供的技术方案加以详细说明，而在实际使用过程中，还可以进一步为云层和背景层添加其它效果，例如：为云层增加光影效果、调整云层色调、调整背景色调等。云层遮罩值将参与云层和背景层合成最终天空球纹理的计算。

另外，由于云层遮罩值算法只需要在一个像素着色器中进行一次绘制即可实现较为真实的云层平移效果，因此，无需执行多次预处理操作和多次的渲染操作、且适用于任意复杂度的动态场景。

根据本发明实施例，还提供了一种云层遮罩图的处理装置的实施例，图7是根据本发明实施例的云层遮罩图的处理装置的结构框图，如图7所示，该装置可以包括：获取模块10，用于获取待映射至天空球模型的云层遮罩图；处理模块20，用于对云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到水平高度上的云层遮罩值。

可选地，图8是根据本发明优选实施例的云层遮罩图的处理装置的结构框图，如图8所示，处理模块20可以包括：计算单元200，用于计算与云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息；采样单元202，用于通过对纹理贴图坐标信息对云层遮罩图进行采样处理，得到与云层遮罩图对应的像素信息；处理单元204，用于采用纹理贴图坐标信息和像素信息确定云层遮罩值。

可选地，计算单元200，用于采用以下公式计算与云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息：

其中,x,y和z分别表示世界空间直角坐标系的x轴，y轴和z轴，y轴指向地表的垂直方向，V表示视向量是通过在世界空间坐标系中采用天空球模型表面任意点坐标减去视点坐标来创建的，E表示视点坐标，height为自定义的常量参数，用于定义云层的高度值，tiling为自定义的常量参数，用于定义云层遮罩图的重复度，time表示当前时间，speed为自定义的变量参数，用于定义云层在水平方向上的移动速度。

可选地，上述像素信息包括：纹理的红色通道、绿色通道、蓝色通道和阿尔法通道，云层遮罩图存储于红色通道、绿色通道、蓝色通道与阿尔法通道中的任意一个通道。

可选地，处理单元204，用于获取待使用的图形应用程序接口，以及利用图形应用程序接口提供的纹理采样器内置的纹理查找函数结合纹理贴图坐标信息与像素信息进行计算，得到云层遮罩值。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种云层遮罩图的处理方法，其特征在于，包括：

获取待映射至天空球模型的云层遮罩图；

对所述云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到水平高度上的云层遮罩值；

其中，对所述云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到所述云层遮罩值包括：计算与所述云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息；通过对所述纹理贴图坐标信息对所述云层遮罩图进行采样处理，得到与所述云层遮罩图对应的像素信息；采用所述纹理贴图坐标信息和所述像素信息确定所述云层遮罩值；

其中，采用以下公式计算与所述云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息：

其中,x,y和z分别表示世界空间直角坐标系的x轴，y轴和z轴，y轴指向地表的垂直方向，V表示视向量是通过在世界空间坐标系中采用所述天空球模型表面任意点坐标减去视点坐标来创建的，E表示所述视点坐标，height为自定义的常量参数，用于定义云层的高度值，tiling为自定义的常量参数，用于定义所述云层遮罩图的重复度，time表示当前时间，speed为自定义的变量参数，用于定义所述云层在水平方向上的移动速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述像素信息包括：纹理的红色通道、绿色通道、蓝色通道和阿尔法通道，所述云层遮罩图存储于所述红色通道、所述绿色通道、所述蓝色通道与所述阿尔法通道中的任意一个通道。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用所述纹理贴图坐标信息和所述像素信息确定所述云层遮罩值包括：

获取待使用的图形应用程序接口；

利用所述图形应用程序接口提供的纹理采样器内置的纹理查找函数结合所述纹理贴图坐标信息与所述像素信息进行计算，得到所述云层遮罩值。

4.一种云层遮罩图的处理装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取待映射至天空球模型的云层遮罩图；

处理模块，用于对所述云层遮罩图执行纹理贴图坐标变换处理，得到水平高度上的云层遮罩值。

其中，所述处理模块包括：计算单元，用于计算与所述云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息；采样单元，用于通过对所述纹理贴图坐标信息对所述云层遮罩图进行采样处理，得到与所述云层遮罩图对应的像素信息；处理单元，用于采用所述纹理贴图坐标信息和所述像素信息确定所述云层遮罩值；

其中，所述计算单元，用于采用以下公式计算与所述云层遮罩图对应的纹理贴图坐标信息：

其中,x,y和z分别表示世界空间直角坐标系的x轴，y轴和z轴，y轴指向地表的垂直方向，V表示视向量是通过在世界空间坐标系中采用所述天空球模型表面任意点坐标减去视点坐标来创建的，E表示所述视点坐标，height为自定义的常量参数，用于定义云层的高度值，tiling为自定义的常量参数，用于定义所述云层遮罩图的重复度，time表示当前时间，speed为自定义的变量参数，用于定义所述云层在水平方向上的移动速度。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述像素信息包括：纹理的红色通道、绿色通道、蓝色通道和阿尔法通道，所述云层遮罩图存储于所述红色通道、所述绿色通道、所述蓝色通道与所述阿尔法通道中的任意一个通道。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述处理单元，用于获取待使用的图形应用程序接口，以及利用所述图形应用程序接口提供的纹理采样器内置的纹理查找函数结合所述纹理贴图坐标信息与所述像素信息进行计算，得到所述云层遮罩值。

Images