增强现实系统中火焰特效关键技术研究

论文摘要

自然景物的生成与模拟是计算机图形学领域的重要研究方向,包括云、烟、火、雨、雪等。在虚拟战场或者游戏的研究中,火焰特效是一个重要的组成部分,其渲染的逼真程度直接影响着系统的整体效果,因此火焰效果的研究具有十分重要的意义。增强现实是在虚拟现实基础上发展起来的新兴研究领域,其目的是生成一个真实环境与虚拟渲染效果共存的场景,可以使用户置身其中,并实时与真实和虚拟的对象进行交互和学习,让用户感到虚拟场景和真实场景融为一体。在设计和开发增强现实系统时需要解决虚拟对象与真实场景之间在几何、光照和时间三方面的一致性问题,目前增强现实领域中对光照一致性的研究较少,因此研究一种实时有效的光照一致性算法,提高增强现实环境的真实感,拓宽增强现实的应用领域,仍是一个巨大的挑战。本文将二者进行结合,研究在增强现实系统中火焰特效的实现,主要包括以下三个方面的工作:(1)使用GPU粒子系统实现火焰特效的渲染,并加入到增强现实系统中。为增强火焰渲染的真实感,加入了随机过程及湍流仿真函数;(2)研究虚拟火焰光照与真实场景对象之间的光照一致性。根据跟踪得到的位姿数据以及真实场景对象的位置、尺寸、材质等信息,计算真实场景对象的动态阴影效果,并与真实场景图像叠加。(3)为进一步增强系统的真实感,增加与用户之间的互动,加入了风的影响,使火焰的渲染会受到风力作用,同时实时更新真实场景对象受到的火焰光照效果。最后对整个系统进行了全面的总结,讨论了系统实现中的优缺点,并对今后需要进一步深入研究的方向做了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 粒子系统的研究现状
• 1.2.2 增强现实系统中光照一致性研究现状
• 1.3 论文的主要工作、创新点和章节安排
• 1.3.1 论文的主要工作及创新点
• 1.3.2 论文的章节安排
• 第2章 增强现实系统中火焰特效相关技术
• 2.1 火焰特效渲染技术
• 2.1.1 火焰效果特点分析
• 2.1.2 粒子系统概述及GPU 粒子系统
• 2.1.3 火焰模型设计
• 2.2 火焰光照效果技术
• 2.2.1 硬阴影和软阴影概述
• 2.2.2 软阴影实现算法
• 2.3 ARToolKit 开发工具包
• 2.4 本章小结
• 第3章 增强现实系统中虚拟火焰效果的实现
• 3.1 系统整体框架概述
• 3.2 虚拟火焰渲染模块实现
• 3.2.1 基于GPU 的粒子系统搭建
• 3.2.2 火焰特效模拟
• 3.3 跟踪模块实现
• 3.3.1 标志点学习
• 3.3.2 标志点位姿实时跟踪
• 3.4 火焰光照模块实现
• 3.4.1 火焰点光源采样
• 3.4.2 软阴影效果实现
• 3.4.3 火焰受风力影响效果研究及实现
• 3.5 模块接口实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 实验效果
• 4.1 系统开发环境
• 4.2 实验效果展示
• 4.3 系统实时性优化及分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单
• 致谢