点集模型的直接可见性测试与阴影绘制技术研究

论文摘要

点集模型的备受关注,使得点集模型的相关问题成为计算机图形学领域的研究热点,点集模型的消隐、点集模型基于视点的绘制,以及点集模型的阴影生成等问题,不仅在计算机真实感图形应用中发挥重要作用,还可以扩展到教育虚拟场景的构建、教育软件设计等多种领域.对于点集模型的可见性测试与阴影绘制的研究具有理论与’实践双重意义.本文针对目前算机图形硬件仅能够实现对多边形图元等进行深度信息处理的局限,从点集模型自身出发,寻找直接对点集模型进行可视性计算的方法,提出点集模型的直接可见性测试算法,并通过构建点集模型的细分凸包,扩大了可以进行直接可见性测试的点集模型的适用规模,提高了点集模型消隐计算的效率.为了获得较好的图像质量,运用几种关键的阴影绘制技术,在计算出点集模型中各点相对于光源的可见性之后,通过一定的技术处理分别实现了点集模型位于平面甚至曲面上的阴影绘制,丰富了图像的真实感效果.本文的研究主要围绕以下几方面进行实现和改进：1.提出点集模型的初步消隐算法.对于原始点集模型,首先进行初步消隐处理,根据法向和视点,剔除背离点,得到精简模型.而后对精简模型运用基于凸包构建的技术,实现点集模型的直接可见性测试.通过初步精简缩小了点集模型的规模,减少了参与计算的数据量,提高了后继运算的效率.2.改进点集模型的直接可见性测试算法.对于大规模以及海量数据的点集模型,凸包构建模块是影响算法效率的关键,针对该模块设计并实现了细分凸包构建算法,对精简模型中的各点首先进行旋转变换,而后运用细分凸包构建技术进行直接可见性测试.其中细分凸包构建算法,大大降低了点集模型凸包构建的时间复杂度,从而扩大了进行可见性测试的点集模型的适用规模.3.最后提出点集模型位于平面及曲面上的阴影绘制算法.通过消隐处理获得原始点集模型的可见点集,对于可见点集运用阴影投射技术或阴影体技术生成点集模型的阴影,并能支持模型在平面或曲面上的阴影生成,相比传统光线跟踪算法,无需硬件支持,效果较好.

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1 研究意义
• 1.2 本文的组织与结构
• 1.3 本文的主要贡献
• 第2章 点集可见性与阴影绘制技术综述
• 2.1 相关概念阐述
• 2.2 点集模型的可见性测试及相关研究
• 2.3 投射阴影算法
• 2.3.1 投射阴影算法的基本思想
• 2.3.2 投射阴影算法的改进
• 2.4 阴影体算法
• 2.4.1 阴影体算法的基本思想
• 2.4.2 阴影体算法的改进
• 2.5 阴影映射算法
• 2.5.1 阴影映射算法的基本思想
• 2.5.2 阴影映射算法的改进
• 2.5.3 与阴影映射技术相结合的算法
• 2.6 光线跟踪算法
• 2.6.1 光线跟踪算法的基本思想
• 2.6.2 光线跟踪算法的改进
• 2.7 其它算法
• 第3章 点集模型的直接可见性测试算法
• 3.1 点集模型的直接可见性测试算法
• 3.1.1 点集模型的初步精简
• 3.1.2 精简模型的凸包构建
• 3.1.3 实验结果与数据分析
• 3.2 改进的点集模型直接可见性测试算法
• 3.2.1 点集模型的旋转变换
• 3.2.2 旋转模型的细分凸包构建
• 3.2.3 实验结果与数据对比
• 3.3 点集模型直接可见性测试算法的数学证明
• 3.3.1 算法测试点为可见点的证明
• 3.3.2 可见点通过算法测试的证明
• 3.3.3 某点可见对该点所在曲面片曲率的要求
• 第4章 关键阴影绘制算法的研究与实现
• 4.1 多平面投射软阴影算法
• 4.1.1 平面投射软阴影算法
• 4.1.2 多平面软阴影与反走样处理
• 4.1.3 实验结果与分析
• 4.2 阴影体算法
• 4.2.1 物体模型阴影体的构建
• 4.2.2 空间点与阴影体的位置关系的计算
• 4.2.3 实验结果与分析
• 4.3 阴影映射算法
• 4.3.1 阴影图的生成
• 4.3.2 深度值的比较
• 4.3.3 实验结果与分析
• 第5章 点集模型的阴影绘制算法与优化
• 5.1 可见多边形的构建
• 5.2 点集模型位于平面上的阴影
• 5.2.1 基于投射原理的点集阴影绘制算法
• 5.2.2 实验结果与分析
• 5.3 点集模型位于曲面上的阴影
• 5.3.1 基于阴影体原理的点集阴影绘制算法
• 5.3.2 实验结果与分析
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文的主要创新
• 6.2 本文的相关工作总结
• 6.3 未来研究工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参与的项目及撰写的论文等
• 致谢