基于SH的光照表示及其在场景绘制中的应用

论文摘要

作为增加虚拟场景真实感的关键技术——光照渲染技术,在三维游戏、动画影视、三维地理信息系统等方面都有广泛的应用。然而,针对基于球面谐波函数(spherical harmonics,简称SH)表示的光照及其在场景绘制中的应用,虽然在近几年里提出的算法较多,但还是存在一些问题,比如SH基函数过多、忽略了阴影的交互转移、光线跟踪速度慢等。本文在吸取计算机图形学、虚拟现实的先进理论和技术成果的基础上,对SH在光照表示和场景绘制中的应用技术进行了具体而系统的研究。本论文的主要研究工作有:首先,分析了球面谐波函数用来表示光照特性需要存储许多SH因子数量,而在实际应用中需对大量的SH因子进行压缩处理,但这样会产生噪音,为了解决上述问题提出了一种基于能量控制的球谐光照演示方法,对量化过程进行建模、施加约束条件进而达到减少数据量的目的,实验结果表明采用该方法能够明显降低因子数量且较好地表示光照特性。其次,由于九维线性子空间能够用来表示外侧凸起的朗伯物体在所有光照条件下的图像,可通过球面谐波函数来建立这种子空间,已存在的球谐函数子空间方法较其它方法能够模拟更复杂光照效果,但是对阴影的处理并不理想。针对使用球面谐波函数得到的子空间方法表示的光照效果不太理想特点,提出了一种基于低维线性子空间的球谐光照改进方法。首先介绍了朗伯模型的球调和逼近,接着分析了球面谐波函数子空间方法得出近似反射函数,最后针对得到的反射函数进行了改进。最后,分析了光辐射预计算在场景实时绘制中的作用,对已有的光辐射预计算算法进行比较,针对已有的基于球面谐波函数的预计算光辐射传输方法存在的光线跟踪速度慢的特点,采用了包围球技术来加快光线跟踪且使用层次组织结构对光线方向进行存储表示,实验结果表明该算法在保证绘制视觉效果的同时,绘制速度有所提高。这里针对的仅为静态场景下的单一物体实时绘制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 光照简介
• 1.1.1 光照分类及其应用
• 1.1.2 光照表示的发展和国内外研究现状
• 1.1.3 光照表示的研究意义
• 1.2 场景绘制的简介
• 1.2.1 场景绘制的分类及发展
• 1.2.2 场景绘制应用及研究意义
• 1.3 主要工作和论文结构
• 1.3.1 本文研究范围
• 1.3.2 本文主要工作
• 1.3.3 论文组织结构
• 第二章 光照模型与球面谐波函数简介
• 2.1 光照模型简介
• 2.1.1 Lambert 漫反射模型
• 2.1.2 Phong 镜面反射模型
• 2.1.3 简单的局部光照模型
• 2.1.4 Whitted 光照模型
• 2.1.5 线、面光照明模型
• 2.1.6 辐射度光照模型
• 2.1.7 BRDF 光照模型
• 2.2 球面谐波函数相关理论
• 2.2.1 球面谐波函数的定义与计算
• 2.2.2 球面谐波函数的投影
• 第三章 基于能量控制的球面谐波函数光照演示方法
• 3.1 球面谐波函数在光照演示中的应用
• 3.2 已存在的处理SH 因子数量方法
• 3.3 基于能量控制的SH 光照演示
• 3.3.1 建立量化过程模型
• 3.3.2 施加能量约束条件
• 3.3.3 求解合适因子数量
• 3.4 实验结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于低维线性子空间的球谐光照算法
• 4.1 问题的提出
• 4.2 朗伯模型的球调和逼近
• 4.3 球面谐波函数子空间方法
• 4.3.1 图像信息作为卷积
• 4.3.2 卷积核特征
• 4.3.3 反射函数近似求解
• 4.4 从反射到图像
• 4.4.1 漫反射无阴影转移
• 4.4.2 漫反射阴影转移
• 4.4.3 漫反射阴影交互转移
• 4.5 实验结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于SH 光辐射预计算的场景实时绘制
• 5.1 相关知识介绍
• 5.1.1 漫反射接受面的缓存
• 5.1.2 阴影图
• 5.1.3 已存在预计算光辐射传输方法
• 5.2 基于SH 光辐射自传输
• 5.3 光辐射自传输预计算
• 5.4 场景绘制实现
• 5.5 实验结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 未来工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读硕士学位期间发表的论文