交互式漫游系统中的实时反射与动态水面渲染

论文摘要

随着计算机性能的快速提高和虚拟现实技术的不断进步,在通用PC机上实现照片级真实感渲染已成为可能,这促使了虚拟现实技术应用领域不断扩展。交互式虚拟建筑漫游领域是新兴起的一个应用领域,不同于传统的游戏渲染,建筑漫游领域对渲染的真实感提出了较高要求,渲染的场景要接近真实存在的场景,这对光影技术以及材质表现都提出了苛刻要求。本文在开源引擎Irrlicht的基础上提出了交互式建筑漫游场景的实现方案,通过离线光照贴图的计算解决了漫游系统中的光影效果以及材质表现。针对Irrlicht引擎的不足本文对引擎做了部分扩展,解决了Irrlicht引擎无法实现的平面反射与动态水面渲染。虚拟现实中的反射渲染具有视点相关特性,且需要考虑场景的全局信息,无法静态生成,而GPU渲染流水线中处理的都是局部信息,导致了反射效果的实现难度。对于曲面物体或者是小平面物体可以使用环境映射的方法进行渲染,然而这种方法不适用于大面积的平面反射。在不考虑多镜面互反射情况下,本文提出了采用渲染到纹理技术实时、动态地生成反射贴图,通过实时计算斜投影矩阵并修改摄影机参数,动态地将反射场景投影到反射平面上,解决了实时渲染中大面积平面物体反射景象的绘制。动态水面模拟在建筑漫游系统中,尤其是室外场景,显得尤其重要。Irrlicht引擎中对水面的模拟极其粗糙,仅仅实现了简单的波动与两张纹理图像的融合,难以用于真实感要求较高的场景。本文通过shader语言对GPU编程实现了浅水效果的仿真。采用Gestner波动方程进行了水波动效果模拟,并讨论了Gestner波的参数对波形的影响。水面波纹效果采用纹理波技术动态生成法向贴图进行实时模拟,相比于凹凸映射技术,增加了许多变化使场景看起来更加可信。同时采用本文提出的渲染到纹理技术模拟了水面的反射效果,并将菲涅尔权值与材质的alpha通道相结合取代折射贴图的生成,较好地模拟了水面的折射与菲涅尔现象,同时保证了实时渲染的帧速率要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 实时反射渲染发展过程与研究现状
• 1.3 动态水面渲染算法发展过程与研究现状
• 1.4 本文研究重点内容与章节安排
• 第2章 交互式建筑漫游系统关键技术
• 2.1 场景建模与渲染
• 2.2 基于irrlicht引擎的软件开发平台
• 2.3 可编程GPU与图形API
• 2.3.1 shader语言与GPU编程
• 2.3.2 OpenGL图形API
• 2.4 3D文件数据格式
• 2.5 场景管理
• 2.5.1 场景图
• 2.5.2 场景模型的可见性判别
• 2.6 本章小结
• 第3章 实时平面反射渲染
• 3.1 实时反射渲染
• 3.2 环境映射
• 3.2.1 球面环境映射
• 3.2.2 立方体环境映射
• 3.3 实时平面反射渲染
• 3.3.1 渲染到纹理
• 3.3.2 三维观察矩阵
• 3.3.3 Irrlicht引擎中的斜投影矩阵
• 3.3.4 Irrlicht引擎中实时平面反射渲染的实现
• 3.4 本章小结
• 第4章 动态水面模拟
• 4.1 基于Gestner波的水面波动
• 4.2 光照明与纹理波
• 4.2.1 光照明模型
• 4.2.2 法向贴图与纹理波
• 4.2.3 反射映射与菲涅尔现象
• 4.3 基于GLSL语言的动态水面模拟程序设计
• 4.3.1 系统框架与主程序流程
• 4.3.2 基于GLSL语言的水面效果实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验结果与分析
• 5.1 实验环境简介
• 5.2 场景漫游效果
• 5.2.1 室内场景漫游效果
• 5.2.2 室外场景漫游效果
• 5.3 实时平面反射渲染
• 5.4 动态水面模拟
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢