增强现实中虚实融合光照一致性研究

论文摘要

增强现实是虚拟现实技术的拓展,通过把计算机生成的虚拟对象与真实环境融为一体的方式来增强用户对真实环境的理解和体验。增强现实的研究目标是实现虚拟对象与真实场景的虚实融合,在动、静态的真实场景画面中加入虚拟对象时,虚拟对象在几何和光照方面要和真实场景中的其它物体相一致。本文研究工作集中在光照一致性方面,主要研究工作如下:1.介绍了增强现实的研究现状与发展方向,对增强现实的关键技术作了比较深入分析。对光照一致性算法的研究现状作了较全面的研究,对其优缺点进行了对比。介绍了光照与材质、光照模型和GPU等与实时光照计算相关的技术。2.首先分析了真实世界中光照状况,对现有研究工作获取光照方法和绘制结果进行较详细的比较,从而得出结论,用高动态范围图像来表示复杂光照,可以得到令人满意的结果,满足增强现实研究目标,最后对获取真实场景光照的方法进行了总结。3.针对现有研究工作对虚拟对象反射特性缺乏深入研究的问题,本文提出了采用Cook Torrance光照模型进行虚实场景的实时光照计算,利用球面调和基函数的方法,实时地计算高动态范围图像的光照系数,在着色器计算得到漫反射分量,通过环境映射技术对镜面反射进行模拟,全部光照计算在GPU中完成。4.作为实时光照计算的后期效果处理,提出了一种改进的高斯滤波器,模拟了逼真的眩光效果。同时,还模拟了透明材质的虚拟对象的光线折射效果,绘制出虚实融合的场景,产生全局照明的真实感效果,使虚实场景更具真实感。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 增强现实关键技术研究现状
• 1.2.1 几何一致性研究现状
• 1.2.2 光照一致性研究现状
• 1.3 GPU 图形架构与实时图形绘制发展和现状
• 1.4 论文的主要内容和组织结构
• 1.4.1 研究目标与论文主要内容
• 1.4.2 论文组织结构安排
• 第二章 实时光照计算相关技术
• 2.1 光照与材质
• 2.2 光源与光照模型
• 2.2.1 光源
• 2.2.2 光照模型
• 2.3 GPU 可编程图形处理器
• 2.3.1 GPU 图形处理器功能及其发展历程
• 2.3.2 可编程顶点处理器
• 2.3.3 可编程片段处理器
• 2.4 本章小结
• 第三章 真实场景光照表示与获取方法
• 3.1 真实场景光照表示
• 3.1.1 光照表示方法相关研究工作的比较
• 3.1.2 基于图像光照技术的光照表示方法
• 3.2 真实场景光照的获取方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 复杂环境光源下虚实场景的实时光照绘制算法
• 4.1 引言
• 4.2 绘制方程与 Cook Torrance 光照模型
• 4.3 BRDF 漫反射分量的计算
• 4.3.1 辐射照度环境映射
• 4.3.2 基于球面调和基函数的漫反射分量计算
• 4.4 BRDF 镜面反射分量的计算
• 4.4.1 环境映射技术
• 4.4.2 镜面反射的计算与模拟
• 4.5 实验结果与分析
• 4.5.1 实验环境
• 4.5.2 结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 虚实场景眩光与折射的模拟
• 5.1 眩光模拟
• 5.1.1 眩光现象
• 5.1.2 改进的高斯滤波器的实时眩光模拟
• 5.2 透明材质物体的光线折射及其模拟
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 实验环境
• 5.3.2 结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 工作总结和展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 致谢