分形图形创建方法、装置、电子设备和存储介质

技术领域

本发明实施例涉及图形处理技术领域，特别是涉及一种分形图形创建方法、一种分形图形创建装置、电子设备和存储介质。

背景技术

分形(Fractal)，具有以非整数维形式充填空间的形态特征。分形通常被定义为“一个粗糙或零碎的几何形状，可以分成数个部分，且每一部分都(至少近似地)是整体缩小后的形状”，即具有自相似的性质。其中，具有上述特效的图形被称为分形图形。

然而，现有分形图形的创建方法有至少如下两个缺点：1、迭代计算量大，轻量级设备(如手机、平板电脑等)的CPU线程计算能力以及内存有限，几乎无法承载多次迭代后的分型图形的数据；2、显示器像素承载细节有限，超大量的顶点数据传输操作十分浪费性能且无必要。

也正是如此，目前分形图形的主要实现手段为CPU只传必要参数，分形图形的计算迭代过程交给GPU线程，然而，即便GPU计算迭代过程，依然避免不了大量计算而导致的超高帧率延迟，例如，通常实时应用要求为30FPS，即每帧计算耗时最大不过33.33…毫秒。可见，目前想要创建分形图形，仍然需要耗费大量的计算资源。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种分形图形创建方法和相应的一种分形图形创建装置、电子设备、存储介质。

为了解决上述问题，本发明实施例公开了一种分形图形创建方法，所述方法包括：

创建三维面片模型；

从所述三维面片模型中确定像素平面；

基于所述像素平面确定光线出发点和光线出发方向；

以所述光线出发点为起点，在所述光线出发方向进行光线追踪计算得到目标三维坐标数据；

对所述目标三维坐标数据进行着色渲染，以创建分形图形。

可选地，所述从所述三维面片模型中确定像素平面，包括：

确定所述三维面片模型在世界空间坐标系中由X轴和Y轴所构成的平面中对应的面片；

将所述面片作为像素平面。

可选地，所述将所述面片作为像素平面，包括：

将所述面片中未被遮盖的区域，作为像素平面。

可选地，所述基于所述像素平面确定光线出发点和光线出发方向，包括：

在世界空间坐标系中构建深度值；

基于所述深度值与所述面片的平面坐标数据，构成第一三维坐标数据；

将所述第一三维坐标数据乘以预设的的逆转矩阵，得到光线出发点，所述逆转矩阵为视图空间坐标系和所述世界空间坐标系之间的逆转矩阵。

可选地，所述基于所述像素平面确定光线出发点和光线出发方向，包括：

获取观察相机镜头的三维坐标数据，作为第二三维坐标数据；

将所述第二三维坐标数据乘以预设的逆转矩阵，得到光线出发方向。

可选地，所述以所述光线出发点为起点，在所述光线出发方向进行光线追踪计算得到目标三维坐标数据，包括：

以所述光线出发点为起点，在所述光线出发方向进行光线追踪计算；

当所述光线追踪计算达到预设射线检测迭代数时，将所述光线追踪计算的计算结果作为目标三维坐标数据。

可选地，所述对所述目标三维坐标数据进行着色渲染，以创建分形图形，包括：

基于半兰伯特光照模型对所述目标三维坐标数据进行纯色着色渲染。

本发明实施例公开了一种分形图形创建装置，所述装置包括：

三维面片模型创建模块，用于创建三维面片模型；

像素平面确定模块，用于从所述三维面片模型中确定像素平面；

追踪数据确定模块，用于基于所述像素平面确定光线出发点和光线出发方向；

光线追踪计算模块，用于以所述光线出发点为起点，在所述光线出发方向进行光线追踪计算得到目标三维坐标数据；

着色渲染模块，用于对所述目标三维坐标数据进行着色渲染，以创建分形图形。

本发明实施例公开了一种电子设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的分形图形创建方法的步骤。

本发明实施例公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的分形图形创建方法的步骤。

本发明实施例包括以下优点：

在本发明实施例中，从三维面片模型中确定像素平面以确定光线出发点和光线出发方向，然后以光线出发点为起点，在光线出发方向进行光线追踪计算得到目标三维坐标数据，最后对目标三维坐标数据进行着色渲染以创建分形图形。本发明实施例仅需要针对三维面片模型中在屏幕中的平面像素进行光线追踪和着色渲染，因此相对比于目前需要全屏进行光线追踪和着色渲染的创建方法而言，可以节省大量的计算资源。

附图说明

图1是本发明的一种分形图形创建方法实施例的步骤流程图；

图2是本发明的一种三维面片模型的面片在UV坐标的示意图；

图3是本发明的一种三维面片模型未被遮盖前的示意图；

图4是本发明的一种三维面片模型未被遮盖前的示意图；

图5是本发明的一种不同射线检测迭代数对应的分形图形的示意图；

图6是本发明的一种分形图形的示意图；

图7是本发明的一种分形图形创建装置实施例的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本申请实施例中的分形图形创建方法可以运行于终端设备或者是服务器。其中，终端设备可以为本地终端设备。当分形图形创建方法运行于为服务器时，可以为云游戏。

在一可选的实施方式中，云游戏是指以云计算为基础的游戏方式。在云游戏的运行模式下，游戏程序的运行主体和游戏画面呈现主体是分离的，分形图形创建方法的储存与运行是在云游戏服务器上完成的，云游戏客户端的作用用于数据的接收、发送以及游戏画面的呈现，举例而言，云游戏客户端可以是靠近用户侧的具有数据传输功能的显示设备，如，移动终端、电视机、计算机、掌上电脑等；但是进行游戏数据处理的终端设备为云端的云游戏服务器。在进行游戏时，玩家操作云游戏客户端向云游戏服务器发送操作指令，云游戏服务器根据操作指令运行游戏，将游戏画面等数据进行编码压缩，通过网络返回云游戏客户端，最后，通过云游戏客户端进行解码并输出游戏画面。

在一可选的实施方式中，终端设备可以为本地终端设备。本地终端设备存储有游戏程序并用于呈现游戏画面。本地终端设备用于通过图形用户界面与玩家进行交互，即，常规的通过电子设备下载安装游戏程序并运行。该本地终端设备将图形用户界面提供给玩家的方式可以包括多种，例如，可以渲染显示在终端的显示屏上，或者，通过全息投影提供给玩家。举例而言，本地终端设备可以包括显示屏和处理器，该显示屏用于呈现图形用户界面，该图形用户界面包括游戏画面，该处理器用于运行该游戏、生成图形用户界面以及控制图形用户界面在显示屏上的显示。

首先，对本发明实施例涉及的技术术语介绍：光线追踪(Ray Tracer)：在计算机图形学中，光线追踪是一种渲染技术，用于通过在像素平面中以像素点为单位跟踪光的路径并模拟其与虚拟对象相遇的效果来生成图像。与扫描线渲染方法相比，光线追踪能够产生高度的视觉真实感，这使得光线追踪最适合可以忍受较长时间渲染的应用程序，例如在计算机生成的静止图像以及电影和电视的视觉效果(VFX，Visual effects)中，在实时应用中，渲染每一帧的速率至关重要，光线追踪能够模拟各种光学效果，例如反射和折射，散射和色散现象(例如色差)。

参照图1，示出了本发明的一种分形图形创建方法实施例的步骤流程图，本发明实施例具体可以包括如下步骤：

步骤101，创建三维面片模型。

步骤102，从所述三维面片模型中确定像素平面。

步骤103，基于所述像素平面确定光线出发点和光线出发方向。

步骤104，以所述光线出发点为起点，在所述光线出发方向进行光线追踪计算得到目标三维坐标数据。

步骤105，对所述目标三维坐标数据进行着色渲染，以创建分形图形。

在本发明实施例中，从三维面片模型中确定像素平面以确定光线出发点和光线出发方向，然后以光线出发点为起点，在光线出发方向进行光线追踪计算得到目标三维坐标数据，最后对目标三维坐标数据进行着色渲染以创建分形图形。本发明实施例仅需要针对三维面片模型中在屏幕中的平面像素进行光线追踪和着色渲染，因此相对比于目前需要全屏进行光线追踪和着色渲染的创建方法而言，可以节省大量的计算时间。

下面，将结合图2～图6对本示例性实施例中分形图形创建方法作进一步地说明。

在步骤101中，创建三维面片模型。

其中，本发明实施例依赖于能对数据编程的引擎，任何可以对数据编程的引擎都可以作为实践场景，例如，Uinty3D引擎，基于Uinty3D引擎中已有的数据处理知识数据和数学知识数据，可以实时创建多种类型的图形，例如2D图形或者3D图形。

具体地，本发明实施例可以在Uinty3D引擎的世界空间坐标系中新建一个三维面片模型，或者通过其他软件制作导入三维面片模型。其中，在世界空间坐标系中X轴和Y轴表示三维面片模型的长度和宽度，Z轴表示三维面片模型的高度。

在本发明实施例中，三维面片模型在世界空间坐标系中某一个平面的投影为面片，其中，对于世界空间坐标系中三维面片模型在其X轴和Y轴所构成的XY平面上的面片，可以通过UV映射将其映射到UV坐标上。具体地，UV坐标是指所有的图形都是二维的一个平面，U表示水平方向，V表示垂直方向，与世界空间坐标系的X轴和Y轴相对应。参照图2，是本发明的一种三维面片模型的面片在UV坐标的示意图，三维面片模型在UV平面排布同XY平面一致，在UV平面上的面片为在电子设备上的显示的三维面片模型。

在步骤102中，从所述三维面片模型中确定像素平面。

其中，像素平面是指的用于计算分形图形中三维面片模型中的面片。

在一示例性实施例中，所述步骤102，从所述三维面片模型中确定像素平面，可以包括如下步骤：确定所述三维面片模型在世界空间坐标系中由X轴和Y轴所构成的平面中对应的面片；将所述面片作为像素平面。

其中，可以将三维面片模型在世界空间坐标系的X轴和Y轴，即UV平面的面片，作为用于绘制分形图形用的像素平面，即在像素平面上进行光线追踪。由于无需进行全屏的光线追踪，因此可以节省大量进行光线追踪计算所带来的计算资源消耗。

在一示例性实施例中，所述将所述面片作为像素平面，包括：将所述面片中未被遮盖的区域，作为像素平面。

在实际场景中，在屏幕上的其他物体可能会遮盖住三维面片模型，导致在屏幕上仅能看到部分三维面片模型，此时可以将屏幕三维面片模型在屏幕中为被其他物体遮盖的区域，作为用于绘制分形图形的像素平面，即在未被遮盖的像素平面上进行光线追踪。在上述示例中，由于本发明实施例仅为面片所能显示的位置，即为被其他物体遮盖的像素平面进行光线追踪，因此可以进一步因此节省光线追踪带来的计算资源消耗。

综上可知，本发明实施例由于无需进行全屏的光线追踪，因此无论三维面片模型遮盖或被遮盖都可以节省大量的资源消耗。举例来说，参照图3，为三维面片模型未被方块遮盖的示意图，参照图4，为三维面片模型被方块遮盖的示意图，本发明实施例仅需要对图3和图4中未被遮盖的部分，即图3和图4中被框选的三维面片模型的部分进行光线追踪计算，也即是说不需要进行全屏幕光线追踪计算，其他部分为正常的渲染过程，因此可以节省大量的计算资源。

在步骤103中，基于所述像素平面确定光线出发点和光线出发方向。

其中，在确定像素平面后，就可以基于像素平面确定光线出发点和光线出发方向，以基于像素平面确定的光线出发点和光线出发方向进行光线追踪，进而确定分形图形的目标三维坐标数据。

在一示例性实施例中，所述步骤103，基于所述像素平面确定光线出发点和光线出发方向，可以包括如下步骤：在世界空间坐标系中构建深度值；基于所述深度值与所述面片的平面坐标数据，构成第一三维坐标数据；将所述第一三维坐标数据乘以预设的逆转矩阵，得到光线出发点，所述逆转矩阵为视图空间坐标系和所述世界空间坐标系之间的逆转矩阵。

其中，为了展示在世界空间的物体，观察相机镜头需要放置在世界空间的指定位置中，基于观察相机镜头指定了观察者可以在世界空间观察到的物体(比如全部或者是局部的物体)，从而生成相应的图像以在屏幕上展示。用于定义世界空间中观察到的物体的空间为视图空间(通常也被称为相机空间)，其中，从世界空间的世界空间坐标系到视图空间的视图空间坐标变换被称为视图变换，用于进行视图变化的矩阵称为逆转矩阵。

首先，在世界空间坐标系中虚构一个深度值W，作为Z方向模拟观察相机镜头的近切平面，具体地，深度值W为用于确定可绘制分形图像的深度范围。然后，将三维面片模型确定的像素平面与深度值W作为一个第一三维坐标数据(U，V，W)，以第一三维坐标数据(U，V，W)乘以视图空间和世界空间的逆转矩阵，得到的数据作为光线追踪时的光线出发点，光线出发点可以记为S。其中，近切平面是观察相机镜头能看到的最近范围，具体地，假设镜头近切平面为0.2米，则如果物体与镜头的距离小于0.2米，则镜头无法捕捉到物体，相当于物体处于视觉盲区。

在一示例性实施例中，所述步骤103，所述基于所述像素平面确定光线出发点和光线出发方向，可以包括如下步骤：获取观察相机镜头的三维坐标数据，作为第二三维坐标数据；将所述第二三维坐标数据乘以预设的逆转矩阵，得到光线出发方向。

其中，在Uinty3D引擎中，通常观察相机镜头的前方为世界空间坐标系中的Z轴方向，因此观察相机镜头的三维坐标数据，即第二三维坐标数据可以为(0，0，1)或(0，0，-1)。然后，将第二三维坐标数据(0，0，-1)乘以视图空间和世界空间的逆转矩阵，得到的数据作为光线追踪时光线时的光线出发方向，光线出发方向可以记为D。

在步骤104中，以所述光线出发点为起点，在所述光线出发方向进行光线追踪计算得到目标三维坐标数据。

在本发明实施例中，可以将三维面片模型的UV平面作为用于绘制分形图形用的像素平面，并且，还可以根据像素平面确定光线出发点和光线出发方向。然后，以光线出发点为起始位置，对光线出发点的光线出发方向进行光线追踪计算，进而可以计算得到新的三维坐标数据，即本发明实施例用于创建分形图形的目标三维坐标数据，最后在目标三维坐标数据进行着色渲染，即可实现分形图形的创建。

在一示例性实施例中，所述步骤104，以所述光线出发点为起点，在所述光线出发方向进行光线追踪计算得到目标三维坐标数据，可以包括如下步骤：以所述光线出发点为起点，在所述光线出发方向进行光线追踪计算；当所述光线追踪计算达到预设射线检测迭代数时，将所述光线追踪计算的计算结果作为目标三维坐标数据。

具体地，预先设定适宜的最大射线检测迭代数，然后基于最大射线检测迭代数进行光线追踪计算，进而计算出目标三维坐标数据。举例来说，在像素平面上以S点(光线出发点)为起始位置，对S的D(光线出发方向)进行光线追踪计算，在达到预设射线检测迭代数后，将得到的计算结果作为新的三维坐标数据(目标三维坐标数据)保存，新的三维坐标数据可以记为P。可选地，本发明实施例使用的分形图形计算公式可以为芒德球的公式或者其他分形图形的公式，本发明实施例对此无需加以限制。

在步骤105中，对所述目标三维坐标数据进行着色渲染，以创建分形图形。

在本发明实施例中，在Uinty3D引擎中创建新的Shader文件和材质文件并赋予三维面片模型，用于控制GPU在像素平面上的绘制过程。具体地，在Uinty3D引擎中，材质文件是需要Shader文件来描述分形图形的计算方法，并将最终图形绘制结果提交给显示器，进而在显示器显示分形图形的绘制结果。简单来说，三维面片模型可以通过材质文件调用Shader文件内的计算方法，从而将最终的分形图形绘制显示在显示器上。

具体地，本发明实施例对目标三维坐标数据进行着色渲染，即可完成分形图形的创建，需要说明的是，本发明实施例对于渲染方法不做限制。

在一示例性实施例中，所述步骤105，所述对所述目标三维坐标数据进行着色渲染，以创建分形图形，包括：基于半兰伯特光照模型对所述目标三维坐标数据进行纯色着色渲染。

作为一个具体示例，对目标三维坐标数据可以基于半Lambert(半兰伯特光照模型)进行纯色着色渲染。具体地，Lambert定义理想“哑光”或漫反射表面的属性，无论观察者的视角如何，其表面对观察者的视在亮度都是相同的。参照图5，所示是本发明的一种不同射线检测迭代数对应的分形图形的示意图，为对目标三维坐标数据进行纯色输出并基于半Lambert赋予光照后，在不同射线检测迭代数下，例如图5中1、2、5、10、20、30、50、100的射线检测迭代数所分别对应的分形图形的示意图。

当然，除了上述的半兰伯特光照模型之外，本发明实施例也可以采用其他的方式对目标三维坐标数据进行着色渲染，以实现不同的图形效果，本发明实施例无需加以限制。

本发明实施例可以实现分形图形的创建，且不需要耗费大量的计算资源。参照图6，为本发明实施例的一种分形图形的示意图，该分形图形存在自相似性，即分形图形的局部与它的整体具有一定程度的相似关系。由于本发明实施例无需对当前屏幕的所有三维面片模型进行光线追踪计算，而是仅对三维面片模型在当前屏幕上的面片进行光线追踪计算，因此本发明实施例计算资源的消耗仅为三维面片模型的面片所能显示的位置，也正是如此，无论三维面片模型未遮盖或被遮盖，本发明实施例都可以节省大量的计算资源，使得在轻量级设备，例如手机、平板电脑等设备上使用实时创建分形图形成为可能。

需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

参照图7，示出了本发明的一种分形图形创建装置实施例的结构框图，本发明实施例具体可以包括如下模块：

三维面片模型创建模块701，用于创建三维面片模型；

像素平面确定模块702，用于从所述三维面片模型中确定像素平面；

追踪数据确定模块703，用于基于所述像素平面确定光线出发点和光线出发方向；

光线追踪计算模块704，用于以所述光线出发点为起点，在所述光线出发方向进行光线追踪计算得到目标三维坐标数据；

着色渲染模块705，用于对所述目标三维坐标数据进行着色渲染，以创建分形图形。

在本发明的一种优选实施例中，所述像素平面确定模块702，用于确定所述三维面片模型在世界空间坐标系中由X轴和Y轴所构成的平面中对应的面片；将所述面片作为像素平面。

在本发明的一种优选实施例中，所述像素平面确定模块702，用于将所述面片中未被遮盖的区域，作为像素平面。

在本发明的一种优选实施例中，所述追踪数据确定模块703，用于在世界空间坐标系中构建深度值；基于所述深度值与所述面片的平面坐标数据，构成第一三维坐标数据；将所述第一三维坐标数据乘以预设的的逆转矩阵，得到光线出发点，所述逆转矩阵为视图空间坐标系和所述世界空间坐标系之间的逆转矩阵。

在本发明的一种优选实施例中，所述追踪数据确定模块703，用于获取观察相机镜头的三维坐标数据，作为第二三维坐标数据；将所述第二三维坐标数据乘以预设的逆转矩阵，得到光线出发方向。

在本发明的一种优选实施例中，所述光线追踪计算模块704，用于以所述光线出发点为起点，在所述光线出发方向进行光线追踪计算；当所述光线追踪计算达到预设射线检测迭代数时，将所述光线追踪计算的计算结果作为目标三维坐标数据。

在本发明的一种优选实施例中，所述着色渲染模块705，用于基于半兰伯特光照模型对所述目标三维坐标数据进行纯色着色渲染。

在本发明的一种优选实施例中，应用于轻量级的电子设备。

综上可知，在本发明实施例中，从三维面片模型中确定像素平面以确定光线出发点和光线出发方向，然后以光线出发点为起点，在光线出发方向进行光线追踪计算得到目标三维坐标数据，最后对目标三维坐标数据进行着色渲染以创建分形图形。本发明实施例仅需要针对三维面片模型中在屏幕中的平面像素屏幕进行光线追踪和着色渲染，因此相对比于目前需要全屏进行光线追踪和着色渲染的创建方法而言，可以节省大量的计算资源。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本发明实施例公开了一种电子设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上分形图形创建方法实施例所述的步骤。

本发明实施例公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上分形图形创建方法实施例所述的步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种分形图形创建方法、一种分形图形创建装置、电子设备和存储介质，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。