基于谐波图片的重光照技术研究

论文摘要

基于图像的渲染技术是计算机图形学的重要分支,是图像与信号处理、虚拟现实与计算机图形学深入交叉互动的技术成果。该技术将真实或近似于真实的物体与环境重现于虚拟环境中,对于提升用户的真实感与沉浸感有着极其重要的作用。而基于图像的重光照技术是其中一个重要方向,也是近年来图形技术研究中的一个热点。该技术通过对现实物体与环境的采集,经过重新合成渲染成重光照结果,从而逼真的体现出环境对目标物体的光照影响。本文主要着眼于基于图像的重光照技术,该技术是实现重光照的一个重要而且现实的方法。重光照技术主要经过采集数据、处理数据以及合成运算三个步骤,根据采集数据和处理数据的方法的不同有不同的研究的方向。最主要的两大类方法是依采集数据的目的划分:基于模型的重光照技术对物体进行模型重建,并逆向还原出物体反射属性,但受限于模型重建技术的精度和成本,在物体表面几何结果和光照条件复杂的情况下很难进行;基于图像的重光照技术对物体在定制的光照条件下进行采集,利用基函数进行运算,但采集过程过长限制了重光照技术的发展。本文将热点技术球面谐波理论与重光照技术相结合,利用球面谐波理论对球面上函数有效的离散表示,减少重光照需采集的基图片的数量和时间,降低重光照运算过程的时间和空间用量,弥补传统重光照技术对真实物体反射信息采集量巨大,由此带来的采集慢渲染慢的缺点。本文主要讨论并完成了以下几方面工作:首先对于基于图像的重光照技术的相关研究与发展进行了总结和阐述,介绍了该技术的意义、定义以及分类。之后简述了球面谐波理论的原理和意义,及其在重光照技术中的表示和应用方法。对球面谐波作为基函数对采集基图片方法的改变和对光照和反射的球面谐波表示进行了探讨和实践,利用其有效的表示方法和运算精度的优点获得重光照结果。对重光照过程算法、流程以及存储空间等方面进行了细节与过程上的优化,并分析和利用GPU的并行计算能力对重光照运算进行了加速,获得了效率上的显著提高。实验结果表明,在本文提出的重光照过程和优化加速方法下能够快速地采集基图片和进行重光照计算,在同一套谐波图片的基础上可以实时地获得变换光源的重光照结果。同时本文也以基于谐波图片的重光照技术进行了简单的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 重光照技术简介
• 1.2 重光照技术分类
• 1.3 相关工作
• 1.3.1 国内相关工作
• 1.3.2 国外相关工作
• 1.4 本文研究目标与内容
• 1.5 全文结构
• 1.6 本章小结
• 第二章 球面谐波理论与重光照技术
• 2.1 球面谐波理论原理
• 2.2 重光照的球面谐波表示
• 2.2.1 重光照中的亮度
• 2.2.2 光源和反射核的球面谐波表示
• 2.3 本章小结
• 第三章 重光照系统设计与实现
• 3.1 重光照流程
• 3.2 采集基图片
• 3.3 获取光源
• 3.3.1 获取真实光源
• 3.3.2 获取光源矩阵
• 3.4 谐波光照与谐波图片的计算
• 3.4.1 谐波光照的计算
• 3.4.2 谐波图片的计算
• 3.5 合成
• 3.6 实验结果
• 3.6.1 重光照结果对比
• 3.6.2 计算过程观察
• 3.6.3 更多实验结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 重光照算法优化
• 4.1 图片数据的存储和读取
• 4.2 预计算球面谐波系数
• 4.3 优化谐波光照计算
• 4.4 过程改进
• 4.5 脚本配置
• 4.6 本章小结
• 第五章 GPU 加速
• 5.1 GPU 的发展
• 5.2 使用GPU 加速的原因
• 5.3 语言工具
• 5.4 加速过程
• 5.4.1 谐波图片计算的加速
• 5.4.2 渲染合成结果
• 5.5 实验结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录1 重光照脚本配置
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文