[发明专利]一种计算机实时素描渲染系统及其算法

权利要求书

1.一种计算机实时素描渲染系统，其特征在于：该计算机实时素描渲染系统由场景数据文件模块、渲染引擎、输入模块、轮廓线检测模块和三维模型生成模块组成；

所述场景数据文件模块用于加载和保存场景数据，并将场景数据文件上传至所述渲染引擎中；

所述渲染引擎包括向量矩阵模块、混合文本渲染模块、照相机视图体模块、多定时器模块、纹理图像加载和纹理库管理模块与渲染应用通用模块，所述向量矩阵模块用于完成各种向量运算和矩阵运算功能；所述混合文本渲染模块实现文本显示功能，采用基于纹理映射的方式来显示文本，在运行时动态改变字体和字体大小；所述照相机视图体模块实现三维渲染系统中的照相机模型和视图体剪裁相关基本算法，为场景漫游、场景漫游路径记录与回放和层次性视图体剪裁提供实现支持；所述多定时模块用于完成基本的定时功能，提供8个独立的时间计时器，并使用其中的两个时间计时器来实现帧速显示和帧速调控；所述纹理图像加载和纹理库管理模块用于加载图像文件到内存中，生成纹理对象供场景渲染，并把一个场景模型中的所有纹理对象放进纹理库中进行管理；所述渲染应用通用模块为渲染应用系统提供一个基本的框架，并完成窗口初始化和渲染环境建立的通用功能；

所述输入模块包括鼠标输入和键盘输入，且所述渲染引擎的场景漫游操作由键盘控制；

所述轮廓线检测模块用于轮廓线的检测与拆分，并对不同方向上的轮廓线进行紊乱处理；

所述三维模型生成模块利用三维模型切线方向和副法线方向生成相应的方向场，并分别对带有光影信息的基础纹理进行线性卷积处理，输出不同方向的线条纹理图。

2.根据权利要求1所述的一种计算机实时素描渲染系统，其特征在于：所述输入模块的处理对于25帧/秒的渲染系统，其处理的相应时间为40毫秒。

3.根据权利要求1所述的一种计算机实时素描渲染系统，其特征在于：所述纹理图像加载和纹理库管理模块支持bmp、tga和jpg三种图像文件格式，并支持图像文件格式扩展。

4.一种计算机实时素描渲染算法，其特征在于：该计算机实时素描渲染算法的具体步骤如下：

S1：对轮廓线进行检测与拆分，对不同方向的轮廓线进行紊乱处理；

S2：对轮廓线条进行线性卷积根据公式重新计算每个方向上的轮廓线像素点周边像素的影响权重，式中f(x)为周边像素点的影响权重，Γ为卡方方程的偏正态分布效果值，n为可影响当前像素的周边像素个数；

S3：根据公式重新计算每个像素点的像素值，式中P₀是当前像素点的原始像素值，f(i)是由步骤S2中的公式计算出的周边像素点的影响权重，N是拆解成不同方向的轮廓线总数，D_t′(i)是通过公式拆解成不同方向的轮廓线在周边像素点i处的像素值；

S4：在三维模型空间中生成噪声图，通过利用三维空间位置坐标信息多次查询得到合理的噪声图，并对三维坐标信息多次查询得到的噪声图进行混合，得到最终的场景基础纹理；

S5：在基础纹理图中，首先利用三维模型的切线方向和副法线方向生成相应的方向场，然后分别对带有光影信息的基础纹理图进行线性卷积处理，得到不同方向的混合纹理图，最后混合不同方向的线条纹理图产生具有素描画中线条叠加的效果纹理；

S6：混合轮廓线和纹理渲染的结果后，得到完整的素描化风格渲染。

5.根据权利要求4所述的一种计算机实时素描渲染算法，其特征在于：所述步骤S1中，在对轮廓线进行紊乱处理时，根据D′_t＝D_t(C′·x，C′·y)和的公式进行处理，式中C是原始像素点的坐标值，C′是经过紊乱处理后的像素点坐标值，D_t(x,y)是拆解成不同方向的轮廓线图像在(x,y)上的像素值，D_t′是经过紊乱处理后的不同方向的轮廓线图像，N是轮廓线被拆解方向的总数，O是当前像素点在原始轮廓线中的像素值，k是不同方向轮廓线的混合权重。

6.根据权利要求4所述的一种计算机实时素描渲染算法，其特征在于：所述步骤S5中，混合不同方向的线条纹理图具有三个阶段，第一阶段渲染出三维模型切线方向的分布和副法线的分布，通过这两份纹理计算出相应的LIC方向场；第二阶段根据第一阶段计算出的方向场对基础纹理进行线性卷积计算；第三阶段混合两个方向的纹理图得到具有叠加效果的纹理。