大规模虚拟环境中实时软阴影技术的研究

论文摘要

阴影效果对于营造虚拟环境的真实感来说是非常重要的,这是因为阴影提供了帮助人们理解场景中物体空间关系的视觉信息。阴影渲染是计算机图形学领域中一个非常有研究价值的热门课题,研究者们提出了大量的阴影算法。但是,实时地渲染完全符合物理规律的软阴影在目前还是非常困难的,研究者们只能使用理想模型来逼近真实的阴影效果。在大规模的虚拟环境中,场景面积大,物体数量众多,物体分布和遮挡情况非常复杂。当渲染这样的虚拟场景时,需要覆盖范围很大的视景体,这就增加了阴影渲染的复杂性。目前的阴影技术大部分都不是针对这样的特殊场景,不能很好地解决实时性和渲染效果的均衡问题。本文的研究从场景空间分割、多阴影图的阴影映射和阴影图的自适应滤波处理等方面来保持大规模虚拟场景中阴影渲染的实时性,并且提高软阴影效果的逼真度。本文工作针对大规模复杂虚拟场景中软阴影渲染仍然存在的问题进行研究,将这种场景中的阴影渲染问题进行拆分简化,并且进行自适应地处理,逐个解决后对各个部分的结果进行整合,以达到在满足实时性要求的同时获得较真实的软阴影效果的目标。本文的主要研究内容与研究成果如下:(1)提出了一种适用于大规模复杂虚拟场景的软阴影方法框架——平行分割百分比更紧密软阴影(PSPCSS)。该方法在观察空间中沿着深度方向对场景进行空间分割,分别为每个场景部分绘制一张独立的阴影图,阴影图分辨率随着深度的增加依次减少,然后在每张阴影图上计算基于遮挡关系平行假设的软阴影。这种方法应用了细节层次思想,充分提高了阴影图分辨率的利用率,使用较少的阴影图分辨率取得了较好的软阴影效果,很好地平衡了软阴影渲染的速度与质量。(2)深入研究了基于图像空间的软阴影技术,分析了阴影映射技术的走样误差,并根据对阴影重建函数的分析,将方差阴影图有机地融入PSPCSS,来提高PSPCSS的算法效率和软阴影渲染质量。(3)应用了算法设计中的分治思想,从阴影图的深度分层和局部细分两个角度对PSPCSS中的遮挡物搜索和软阴影计算过程进行了改进,进一步提高了PSPCSS方法的软阴影渲染质量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 插图目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 阴影的相关概念
• 1.2.1 阴影的定义
• 1.2.2 硬阴影和软阴影
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 研究内容
• 1.5 本文的组织结构
• 第二章 实时阴影技术概述
• 2.1 阴影映射技术综述
• 2.1.1 阴影映射技术的概念
• 2.1.2 阴影映射技术的算法实现
• 2.1.3 阴影映射技术的优缺点
• 2.1.4 阴影映射反走样
• 2.2 阴影体技术综述
• 2.2.1 阴影体技术的概念
• 2.2.2 阴影体技术的算法实现
• 2.2.3 阴影体技术的优缺点
• 2.3 基于图像空间的软阴影技术
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 PCSS 软阴影算法
• 2.3.3 VSM 阴影算法
• 2.3.4 LVSM 阴影算法
• 2.3.5 VSSM 软阴影算法
• 2.4 适用于大规模虚拟场景的PSSM 技术
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 算法实现
• 2.4.3 算法的优缺点
• 2.5 本章小结
• 第三章 适用于大规模虚拟环境的软阴影渲染框架PSPCSS
• 3.1 PSPCSS 算法思路
• 3.2 阴影映射的走样误差分析
• 3.3 改进的分割方案
• 3.3.1 视景体分割方案
• 3.3.2 光源视景体的分割
• 3.4 半影的计算
• 3.4.1 确定光源尺寸
• 3.4.2 遮挡物搜索
• 3.4.3 半影宽度估算
• 3.5 存在的问题
• 3.6 本章小结
• 第四章 在PSPCSS 框架下提高软阴影效果
• 4.1 改进PSPCSS 的阴影重建函数
• 4.1.1 基本概念
• 4.1.2 使用VSM
• 4.2 遮挡物搜索过程的改进
• 4.2.1 非半影区域的剔除
• 4.2.2 阴影图深度分层
• 4.2.3 在VSM 中计算遮挡物深度
• 4.2.4 搜索区域的细分
• 4.3 阴影值计算过程的改进
• 4.4 本章小结
• 第五章 算法实现与实验结果分析
• 5.1 实验环境的搭建
• 5.2 PSPCSS 的实验结果
• 5.3 PSPCSS 改进方法的实验结果
• 5.4 多场景实验效果
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 进一步展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 在学期间发表的学术论文
• 在学期间参加完成的项目