虚拟场景实时阴影算法的研究与实现

论文摘要

作为增加虚拟场景真实感的关键技术——阴影的实时渲染技术,在三维游戏、动画影视、三维地理信息系统、计算机辅助设计和制造等多方面得到广泛的应用。阴影效果在真实感图形的生成和物体位置的判断方面扮演了重要的角色,它对于人们理解三维场景的影响非常巨大。实时软阴影绘制技术主要涉及到光线的处理、走样与反走样、硬阴影算法、软阴影算法等。光线对阴影的生成具有很大的影响,阴影的绘制中采用了大量基于图像渲染的方法,如阴影纹理、反走样处理、模糊。通过使用阴影纹理,可以实现真实的光照效果,当绘制的阴影出现锯齿等走样现象时,就要用到反走样技术,模糊锯齿边缘。硬阴影算法是实时软阴影算法的基础,目前比较常见的有光线跟踪、阴影图技术和阴影体技术。阴影图算法是一种基于图像空间的算法,它计算场景的深度值来确定最终绘制的阴影;而阴影体则是根据场景中物体的几何信息来绘制阴影的技术,因此是属于对象空间的。光线跟踪技术主要考虑光线和物体的求交,有效地减少光线与物体的求交次数成为了算法的关键。基于这种思想,本文针对旋转曲面场景提出一种基于综合包围盒技术快速光线跟踪算法,通过改进传统的包围盒技术对算法进行了优化。但对场景的阴影只采用了普通光线跟踪算法绘制,而如何生成此类实时软阴影,是我们下一步研究的内容。软阴影算法分为基于图像空间和基于对象空间两类。基于图像空间的算法与场景复杂度无关,但绘制的阴影会出现锯齿等走样问题,基于对象空间的算法较少出现走样,绘制的阴影质量较高,但对系统的处理能力要求也高。本文对基于图像空间软阴影算法进行了研究和分析,通过比较各种实时软阴影算法的优缺点,提出了一种基于阴影图的实时软阴影算法,实验结果表明算法对较复杂物体在保证绘制视觉效果的同时,能达到令人满意的实时性,从而为复杂场景的实时软阴影绘制提供了有效的解决途径。文章最后对实时软阴影未来的发展方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的选择和研究意义
• 1.1.1 课题的选择
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 阴影的研究现状
• 1.3 阴影的相关概念
• 1.3.1 阴影的定义
• 1.3.2 本影和半影
• 1.3.3 硬阴影与软阴影
• 1.3.4 阴影的实时性
• 1.4 论文主要工作
• 1.5 论文的章节组织
• 第二章 阴影中使用的相关技术
• 2.1 引言
• 2.2 光照明模型
• 2.2.1 Lambert 漫反射模型
• 2.2.2 Phong 镜面反射模型
• 2.2.3 透明模型
• 2.2.4 简单局部光照明模型
• 2.3 可编程图形硬件
• 2.3.1 可编程图形硬件的发展
• 2.3.2 可编程图形流水线
• 2.3.3 可编程图形的开发语言
• 2.4 应用阴影纹理
• 2.4.1 阴影纹理的原理
• 2.4.2 阴影纹理的实现
• 2.5 走样和反走样
• 2.5.1 图形走样
• 2.5.2 反走样技术
• 2.6 本章小结
• 第三章 阴影生成的基本算法
• 3.1 引言
• 3.2 光线跟踪算法
• 3.2.1 旋转曲面
• 3.2.2 光线与曲面求交
• 3.2.3 实验结果与分析
• 3.3 Z 缓冲器算法
• 3.4 阴影图算法
• 3.4.1 算法的原理
• 3.4.2 阴影图的实现
• 3.5 阴影体算法
• 3.5.1 阴影体算法实现方法
• 3.5.2 阴影体算法特点
• 3.6 本章小结
• 第四章 软阴影算法
• 4.1 引言
• 4.2 基于图像空间软阴影算法
• 4.2.1 随机点采样
• 4.2.2 多层阴影图
• 4.2.3 使用线性光源
• 4.2.4 单个采样点
• 4.2.5 软阴影比例近似
• 4.3 基于对象空间软阴影算法
• 4.3.1 合并多个阴影体
• 4.3.2 附加光滑翼
• 4.3.3 抖动的光源
• 4.4 本章小结
• 第五章 软阴影算法的实现
• 5.1 算法描述
• 5.1.1 离散遮挡物
• 5.1.2 构造阴影图
• 5.1.3 可见度的变化
• 5.1.4 考虑投影的重叠和间隙
• 5.2 计算半影区域
• 5.3 利用 OpenGL 实现硬件加速
• 5.4 阴影的反走样
• 5.5 实验结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 对未来的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文