基于高动态范围的实时光照技术研究与实现

论文摘要

光照计算是几乎所有的高级图形特效的支撑技术。然而，真实感光照计算在实时图形渲染中计算过于复杂，如何在实时系统中应用就需要更多考虑渲染效果与视觉效果的平衡。真实的光照效果能够大大增强虚拟现实、视频游戏、飞行仿真和战场模拟等实时图形系统的用户体验，因此在游戏引擎中引入高级实时光照技术是非常重要的。本文的主要研究内容包括全局光照模型、局部光照模型、实时多光源光照模型和基于图像的光照。在实时大规模场景真实感渲染的背景下，通过对多种光照模型的对比研究，采用延迟光照是最适合进行多光源实时计算的，并且高动态范围光照很适合图像后期处理，整合这两种技术使得实时高质量光照计算成为可能。实时多光源光照技术在游戏软件中有重要的应用。但是由于光源的增多使光照计算的复杂度也成倍增加。延迟光照技术把几何计算和光照计算分开，这完全不同与传统的绘制技术。不再是基于顶点计算光照而是基于片元的计算光照，从而大大降低了光照计算的计算量。结合最新的可编程图形硬件，本文用多个绘制目标实现了硬件加速的延迟光照，完成了实时多光源光照计算。基于图像的光照是在基于图像的绘制中发展起来的。后者是一种完全不同于传统的基于几何模型的绘制方法，它从全光函数的角度来渲染场景。本文实现的高动态范围光照是基于图像的光照的一种。首先是把虚拟世界图像的RGB值转换成现实世界的光强值，用高精度的光强值计算光照。然后再用色调映射(tone mapping)把高动态范围的值映射到低动态范围的设备上进行显示。试验证明高动态范围光照可以提供更细节的效果和更明亮的背景。从另一方面来说，高动态范围的光照计算是基于图像的，因此是一种图像的增强技术。它增强的是图像的光照效果。通过结合延迟光照技术，并利用可编程图形硬件加速我们可以获得实时逼真的光照效果。本文实现的实时多光源的光照模型是通过整合高动态范围光照和延迟光照技术实现的，是DMF游戏引擎框架的一部分。以插件形式完成，并作为DMF引擎的一个重要的扩展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 课题的来源
• 1.3 研究的目的和意义
• 1.4 国内外研究动态和水平
• 1.5 论文的主要工作、创新点及章节安排
• 1.5.1 论文的主要工作及创新点
• 1.5.2 论文的章节安排
• 第二章 光照计算的相关技术
• 2.1 可编程硬件的发展过程
• 2.2 图形的绘制管线
• 2.2.1 固定功能管线
• 2.2.2 实时功能管线
• 2.3 标准三维编程接口
• 第三章 光照计算
• 3.1 RGB颜色系统
• 3.2 光源
• 3.3 全局光照
• 3.3.1 辐射度算法
• 3.3.2 光线跟踪算法
• 3.4 局部光照模型
• 3.4.1 局部反射模型
• 3.4.2 插值明暗处理技术
• 3.5 实时多光源光照模型
• 3.5.1 现有的实时多光源光照算法
• 3.5.2 延迟光照的发展
• 3.6 基于图像的光照模型
• 3.6.1 传统基于几何模型的方法
• 3.6.2 基于图像的绘制的产生和发展
• 3.6.3 基于图像的光照模型
• 3.7 各种光照模型的比较
• 3.8 实时阴影
• 第四章 游戏引擎的整体框架
• 4.1 游戏引擎整体框架
• 4.1.1 游戏引擎整体框架介绍
• 4.1.2 OGRE图形引擎介绍
• 4.2 光照模块在游戏引擎中的位置
• 第五章 实时光照模块的设计与实现
• 5.1 系统软硬件平台
• 5.1.1 硬件平台
• 5.1.2 软件平台
• 5.2 实时多光源光照模块的概要设计
• 5.2.1 设计目标
• 5.2.2 实现形式
• 5.2.3 光照模型
• 5.3 实时多光源光照模块的实现框架
• 5.3.1 在整个游戏引擎的位置
• 5.3.2 模块的实现类图
• 5.4 延迟光照模块
• 5.4.1 延迟光照的原理
• 5.4.2 延迟光照模块的实现
• 5.4.3 试验结果和分析
• 5.5 图像的增强技术
• 5.5.1 HVS的感光特性
• 5.5.2 外部显示设备的局限性
• 5.5.3 基于亮度的后期处理
• 5.6 基于HDR的延迟光照的设计实现
• 5.6.1 实现框架
• 5.6.2 实现结果与分析
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历及硕士期间发表的论文