基于GPU的物理學(xué)光線渲染在遙感場景中的研究與實現(xiàn).pdf

1、伴隨著近年來我國航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對遙感場景仿真可視化的渲染效果要求越來越高。光線追蹤作為一種真實顯示地物的技術(shù),能以地物真實的三維場景為基礎(chǔ),通過模擬光源以及周圍環(huán)境光在地物表面發(fā)生交互作用所產(chǎn)生的漫反射、鏡面反射和散射、以及介質(zhì)中產(chǎn)生的投射、折射、衰減等光學(xué)現(xiàn)象,實現(xiàn)物體陰影、場景消隱、水面波動等復(fù)雜的特效渲染。由于光線追蹤綜合考慮了各種環(huán)境因素,能夠模擬光線在真實的物理世界中的傳輸,通過設(shè)定不同的顏色標(biāo)識各個位置的能量狀

2、態(tài),我們就能夠以可視化的方式表現(xiàn)整個場景中所有電磁波--包括非可見光--所探測的場景,從而真實的反映出地物的輻射傳輸特性。結(jié)合光線追蹤在地物真實結(jié)構(gòu)再現(xiàn)以及輻射傳輸過程模擬方面獨特的優(yōu)勢,光線追蹤在遙感場景的應(yīng)用自然越來越為人們所重視。然而在模擬大尺度、高精度遙感影像時,光線與地物的求交計算帶來了大量的計算量,這不但從精度上而且從尺度上,都大大限制了光線追蹤在遙感領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　本文首先簡要的介紹了光線追蹤算法中所運用的光照明模

3、型、光線追蹤算法的流程。針對光線追蹤算法最主要的求交運算,研究并實現(xiàn)了光線與球體、圓柱面、三角面片等二次曲面的相交算法。選擇對最常見的三角面片結(jié)構(gòu)的求交過程進行優(yōu)化:通過增加條件,預(yù)先判斷光線是否與三角面片相交,進而避免由光線與物體不相交所產(chǎn)生的冗余計算,減少求交計算的耗時。
　　通過對均勻網(wǎng)格、層次包圍盒、KD-tree等主流光線追蹤加速結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)與分析,我們選取加速效率最好的KD-tree算法作為本文的場景加速結(jié)構(gòu)。采用SAH

4、算法作為構(gòu)建KD-tree時最佳分割平面的選取方法,從而以最小的代價完成對KD-tree的構(gòu)建。通過對文獻的閱讀以及大量的實驗,我們選取8+1.3log(N)作為構(gòu)建KD-tree的最大深度,并設(shè)置求交成本與遍歷成本比為83:1作為本文系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù),以提高系統(tǒng)KD-tree場景組織的效率。
　　根據(jù)GPU高度并行化的特點,依據(jù)GPU環(huán)境下的光線追蹤算法以及CUDA編程方式的約束分析,對光線追蹤算法進行了改進。設(shè)計并實現(xiàn)了一個