实时阴影绘制方法研究及GPU加速

论文摘要

作为增加虚拟场景真实感的关键技术——阴影的实时绘制技术,在三维游戏、动画影视、三维地理信息系统、计算机辅助设计和制造等多方面得到广泛的应用。阴影效果既在真实感图形的生成方面扮演了重要的角色,又在物体位置的判断方面发挥重要的作用,它对于人们理解三维场景的影响非常巨大。但是传统的实现方法中,无论是图像空间算法还是物体空间算法,都由CPU完成图形流水线的所有变换操作计算,算法的性能受到极大的约束,不能保证生成的阴影在物理上的精确性的同时,又保证达到实时绘制的效果。在研究国内外众多论文的基础上,本文对体积阴影生成算法进行改进,结合图像空间轮廓线检测方法,利用GPU加速技术实现阴影实时绘制。主要研究和创新性体现在以下两个方面：改进了阴影体算法,添加一个二维数组,保存深度测试值和状态向量,这样既解决了传统阴影体算法中Z-PASS和Z-FAIL存在的问题,可以根据场景和视点位置自由选择两种方法,又解决了阴影体算法自身存在的缺陷。同时结合图像空间轮廓线检测算法,可以方便快捷的实现阴影体积的绘制,解决了阴影体积算法不能绘制复杂的大场景。研究了基于图像空间轮廓线检测阴影绘制算法的GPU加速模型。本文利用GPU的流水线编程处理器和可并行性处理的特性,加速阴影绘制的速度,减少阴影绘制中CPU的负担,解决了传统阴影绘制算法中的实时性难题,从而平衡了阴影绘制的精度和绘制效率之间的矛盾。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 国外研究动态和现状
• 1.2.2 国内研究动态和现状
• 1.3 本文工作及章节组织
• 1.3.1 论文的主要工作及创新点
• 1.3.2 论文的章节安排
• 第二章 实时阴影常用算法
• 2.1 阴影基本概念
• 2.1.1 阴影定义
• 2.1.2 阴影作用
• 2.1.3 全阴影与半阴影
• 2.1.4 硬阴影与软阴影
• 2.2 图像空间的阴影算法
• 2.2.1 阴影映射算法的原理
• 2.2.2 阴影映射算法的优点和缺点
• 2.3 阴影体算法
• 2.3.1 阴影体算法的原理
• 2.3.2 Z-PASS方法的原理
• 2.3.3 Z-FAIL方法的原理
• 2.3.4 Z-PASS和Z-FAIL方法的比较
• 第三章 基于图像空间轮廓线检测的阴影绘制算法及其GPU加速
• 3.1 基于图像空间轮廓线检测的阴影绘制算法
• 3.1.1 轮廓线检测算法相关技术
• 3.1.2 基于图像空间轮廓线检测的阴影绘制算法
• 3.2 GPU相关技术和GPU加速处理阴影绘制技术
• 3.2.1 图形流水线相关理论
• 3.2.2 GPU的可编程技术
• 3.2.3 利用GPU加速的优点及原理
• 3.3 算法的实现及部分伪代码
• 第四章 实验的结果和算法分析
• 4.1 实验的结果
• 4.2 算法优点及存在难点
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 在校期间发表的论文、科研成果等
• 致谢