实时阴影绘制算法的研究

论文摘要

现代图形技术的发展极大的推进了计算机实时渲染技术的应用,其主要的应用包括交互式的3D图形建模程序,虚拟现实及三维仿真系统,计算机动画,游戏等。对于图形的显示质量,除了要求尽可能快的显示更多的三角面片外,还有更高的要求。图形显示卡及GPU技术的迅速发展,使得一些新的渲染效果,如反走样,运动模糊,实时阴影技术得到了广泛应用。其中,阴影效果在生成真实感图像以及判断物体相对位置方面扮演了重要的角色,许多成熟的阴影生成算法已成功地应用在游戏,动画以及虚拟现实系统中,然而在动态场景中,实时地绘制真实感的软阴影仍然是一个巨大的挑战。阴影算法用于判断光源能够看到的表面,那些不能被光源看到的表面将处于阴影之中,而那些能被光源看到的表面将处于阴影之外。由于物体间的相互遮挡形成了阴影,阴影区域的形状以及大小和物体的形状,相互间位置关系,光源的位置和形状大小都有密切的关系。因此,对于一个三维的场景,阴影具有很强的立体表现能力:首先阴影可以为三维场景中的物体位置提供视觉线索,使得整个场景更易于理解,其次,阴影直接提高了三维场景的真实感,并且使得创建复杂的光照效果成为可能。现代图形硬件的不断发展,使得新的阴影生成算法的提出以及实现成为可能,但是目前的大多数算法或者是保证了实时渲染的帧率要求,或者是实现了精确的阴影效果这两个方面,还没有一个算法在保证了生成的阴影在物理上的精确性的同时,达到实时绘制的效果。我们的文章对各种算法进行了全面的概括,讨论了这些算法的优缺点,局限性,以及质量和复杂度的差别,并且提出了一种新的实时软阴影的绘制方法,该方法不但可以精确的计算阴影的边界,还可以达到实时显示的效果,可以应付大多数对实时性要求较高的系统。最后,本文对实时软阴影的发展方向进行了展望,并对实时软阴影的发展趋势提出了一些值得深入研究的方向。本文主要研究内容和贡献有以下四个方面:1.给出了一种计算凸多面体的阴影的快速算法。2.给出了一种点光源的快速精确阴影生成算法。3.给出了一种球形光源的软阴影生成算法,该算法不但能够精确的计算本影和半影的边界,而且达到了实时绘制的效果。4.针对目前日益流行的点云模型,本文给出了点云模型的快速阴影生成算法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 相关研究介绍
• 1.3 论文的主要工作，创新点及章节组织
• 1.3.1 本文的主要工作及创新点
• 1.3.2 论文的章节安排
• 第二章 实时阴影的基本算法
• 2.1 阴影的基本概念
• 2.1.1 什么是阴影
• 2.1.2 阴影的作用
• 2.1.3 全影和半影
• 2.1.4 硬阴影与软阴影
• 2.2 对象空间的阴影算法
• 2.2.1 平面阴影
• 2.2.2 阴影体算法
• 2.3 图像空间的阴影算法
• 2.3.1 阴影映射算法的原理
• 2.3.2 阴影映射算法的步骤
• 2.3.3 阴影映射算法的优缺点
• 2.4 其它阴影算法
• 第三章 三角网格模型的阴影绘制
• 3.1 引言
• 3.2 对偶技术
• 3.3 Minkowski和
• 3.4 场景中光源和遮挡体都是凸多面体的阴影绘制
• 3.4.1 算法原理
• 3.4.2 算法步骤
• 3.4.3 效率分析
• 3.4.4 与普通阴影体算法的比较
• 3.5 点光源，场景中遮挡体用椭球进行逼近后的阴影绘制
• 3.5.1 椭球和锥体的代数表示
• 3.5.2 算法原理
• 3.5.3 算法步骤
• 3.5.4 效率分析以及与普通阴影体算法的比较
• 3.6 光源和遮挡体都用椭球进行逼近的情况
• 3.6.1 算法原理
• 3.6.2 算法步骤
• 3.6.3 效率分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 点云模型的阴影绘制
• 4.1 引言
• 4.2 算法原理
• 4.2.1 轮廓点的确定
• 4.2.2 构建轮廓边
• 4.3 算法步骤
• 4.4 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的主要学术论文目录
• 攻读学位期间参与的主要项目
• 学位论文评阅及答辩情况表