基于光线跟踪的动画场景空间加速结构的研究

论文摘要

随着计算机硬件技术的高速发展和计算机图形学研究的深入,光线跟踪渲染技术越来越得到人们的关注并且成为实时渲染和离线渲染研究的热点问题。动态场景的渲染及如何管理动态场景是一个关键技术问题,动态场景的空间加速结构需要考虑构造代价,遍历代价及更新代价。本论文的工作目的是:围绕着动态场景渲染这个话题,深入地对动态场景空间加速结构的构造、遍历和更新算法进行探索性的研究。本论文的贡献和创新性在于:1)在pbrt渲染系统中引入SAH代价模型,设计并实现了bvh-sah和bsp-sah两种空间加速结构;2)创新性地提出并实现了bih-kdtree和grid-kdtree两种空间加速结构;3)分析比较了bvh-sah、bsp-sah、bih-kdtree、grid-kdtree、kdtree、grid和occtree-sah七种空间加速结构的各自特点和适用条件;4)在pbrt渲染系统中设计并实现了利用bvh-sah渲染动态场景的两种更新策略的体系结构,对比了bvh-sah实时全更新策略和半更新延时更新策略。本论文结论为:1)bvh-sah对于空间稀疏的小规模模型场景与其他空间数据结构相比较构造时间比较低,对于变形场景特别有效,空间层次包围体bvh-sah的渲染时间要落后于空间细分的加速结构,在部分动态场景中,bvh-sah半更新延时策略是一种效率很高的更新策略;2)kdtree、bih-kdtree、grid-kdtree相比较grid-kdtree是最有效的方法;3)bsp-sah与grid、occtree-sah相比较,bsp-sah是最有效的方法。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外现状
• 1.3 论文工作和章节组织
• 第二章 光线跟踪技术和空间加速结构
• 2.1 光线跟踪技术
• 2.1.1 path tracing 技术
• 2.1.2 双向路径跟踪技术
• 2.1.3 分布式光线跟踪技术
• 2.1.4 packet 光线跟踪技术
• 2.2 原始的空间加速结构
• 2.2.1 空间二叉树
• 2.2.2 空间八叉树
• 2.2.3 空间网格
• 2.2.4 结构包围体
• 2.2.5 场景图表示
• 2.3 动画场景的组织和分类
• 第三章 空间加速结构的设计、实现和分析
• 3.1 具有代价模型的结构包围体（bvh-sah）的设计与实现
• 3.1.1 基于SAH 的代价模型
• 3.1.2 bvh-sah 的构造算法的设计与实现
• 3.1.3 bvh-sah 的光线遍历算法的设计与实现
• 3.2 具有代价模型的空间二叉树（bsp-sah）的设计与实现
• 3.2.1 bsp-sah 构造算法的设计与实现
• 3.2.2 bsp-sah 光线遍历算法的设计与实现
• 3.3 具有间隔结构的kd-tree（bih-kdtree）的设计与实现
• 3.3.1 bih-kdtree 的构造算法的设计与实现
• 3.3.2 bih-kdtree 光线遍历算法的设计与实现
• 3.4 网格kd-tree 的设计与实现
• 3.4.1 grid-kdtree 的构造算法的设计与实现
• 3.4.2 grid-kdtree 光线遍历算法的设计与实现
• 3.5 各种加速结构的场景的测试结果和数据分析
• 3.5.1 不同场景的测试结果
• 3.5.2 数据分析与比较
• 3.6 本章小结
• 第四章 变形场景的动态包围体层次结构的设计与实现
• 4.1 动态变形场景的渲染体系结构的设计
• 4.1.1 体系结构的设计
• 4.1.2 动态变形场景的渲染流程
• 4.1.3 原有渲染器的改造
• 4.2 动态bvh-sah 的更新策略
• 4.2.1 动态bvh-sah 的实时全更新策略
• 4.2.2 动态bvh-sah 的快速更新延时重构策略
• 4.3 两种动态bvh-sah 更新策略的实验结果和比较
• 4.3.1 实验结果
• 4.3.2 实验数据分析
• 4.3.3 动态场景的结果图
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 进一步工作
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢