动态场景的全局光照实时绘制

论文摘要

三维场景的全局光照计算[76~78]不仅考虑当前着色点的直接入射光照,还涉及环境中其它景物对着色点的间接光照或遮挡的影响,因而可以模拟比局部光照更真实的效果,如透明物体的折射和反射,半透明物体的子表面散射,阴影等。由于其计算复杂度远远超过了局部光照计算,传统上全局光照明模拟难以同时获得实时的绘制效率和逼真的效果。尽管人们针对光线跟踪、辐射度、光子映射等全局光照绘制方法提出了许多加速方案,但还是无法被应用到游戏、虚拟现实等实时性要求很高的应用。近年来流行的预计算技术部分地解决了静态场景的全局光照明计算,但无法直接适用于动态场景。GPU(Graphics Process Unit)在近几年极大地推动了计算机图形学的发展。尽管它采用了局限性大的SIMD(Single Instruction Multiple Data)架构,但这也使得它的并行性及处理速度远远高于CPU。本文以GPU为基本工具加速动态场景的处理及绘制,提出了一系列不同全局光照效果的算法,包括动态透明物体、动态半透明物体及复杂光照条件下动态场景的软阴影生成等:提出一个改进的可形变透明物体的二次折射计算、动态环境映射算法,以及在环境映射中的视点与参照点偏差问题的解决方案;提出一个基于绘制到纹理技术的子曲面散射模型两步绘制法,能实时高质量地绘制可形变半透明景物;针对现有阴影模拟算法在真实感及灵活性上的缺陷,提出了各向异性的遮挡度计算方案,结合球谐压缩的复杂光照环境,可获得场景各点的光亮度衰减值,能实时生成复杂光照条件下的阴影。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 GPU 技术简介
• 1.2 全局光照（GLOBAL ILLUMINATION）
• 1.2.1 动态透明物体的绘制
• 1.2.2 动态半透明物体的绘制
• 1.2.3 动态场景的阴影模拟
• 第2章 动态透明物体的绘制
• 2.1 透明物体的物理特性
• 2.1.1 Snell 定律
• 2.1.2 Fresnel 法则
• 2.1.3 色散（Dispersion）
• 2.1.4 焦散线（Caustics）
• 2.2 已有的透明物体绘制方法
• 2.2.1 传统单次折射方法与 Wyman 的两次折射近似法
• 2.2.2 Wyman 方法的不足与扩展
• 2.3 我的方法
• 2.4 试验结果
• 2.5 小结
• 第3章 动态半透明物体的绘制
• 3.1 半透明材质的函数模型
• 3.1.1 BSSRDF
• 3.1.2 单次散射与多次散射
• 3.1.3 Dipole
• 3.2 已有的半透明物体绘制方法
• 3.3 我的方法
• 3.3.1 简化光照模型
• 3.3.2 照度收集（Irradiance Gathering）
• 3.3.3 照度扩散（Irradiance Scattering）
• 3.4 实验结果
• 3.5 小结
• 第4章 动态场景的阴影模拟
• 4.1 阴影原理
• 4.1.1 硬阴影（Hard Shadow）
• 4.1.2 软阴影（Soft Shadow）
• 4.1.3 伪软影（Fake Soft Shadow）
• 4.2 已有的阴影绘制算法
• 4.2.1 阴影体（Shadow Volume）
• 4.2.2 阴影图（Shadow Map）
• 4.2.3 对阴影体和阴影图的思考
• 4.2.4 泛光遮挡（Ambient Occlusion）
• 4.2.5 阴影场（Shadow Field）
• 4.3 我的方法
• 4.3.1 几何处理
• 4.3.2 各向异性的遮挡计算
• 4.3.3 速度优化
• 4.4 实验结果
• 4.5 小结
• 第5章 总结及未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目