面向可編程著色器的多光源加速算法研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件水平的飛速發(fā)展，三維渲染在各行各業(yè)中都得到了迅速的普及和應(yīng)用，渲染質(zhì)量也隨著技術(shù)的創(chuàng)新和設(shè)備的提升有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。尤其在影視界，基于真實(shí)感的三維渲染畫(huà)面帶給了觀眾們無(wú)與倫比的沖擊力。我國(guó)對(duì)于三維渲染技術(shù)也進(jìn)行了大力扶持，三維渲染已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)一股新興的產(chǎn)業(yè)力量。
　　對(duì)于大型電影級(jí)別的場(chǎng)景，其場(chǎng)景文件規(guī)模經(jīng)常是動(dòng)輒幾百兆的大小，再加上高分辨率的要求，往往一幀圖片就要渲染很長(zhǎng)時(shí)間。而且為了模擬出現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜的光照效

2、果，往往在一個(gè)場(chǎng)景中會(huì)設(shè)置大量的光源，因?yàn)槊總€(gè)渲染點(diǎn)在渲染時(shí)都會(huì)遍歷全部光源，渲染時(shí)間也會(huì)隨著光源數(shù)目增加而呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。這樣極大的限制了場(chǎng)景設(shè)計(jì)的自由性，設(shè)計(jì)師往往會(huì)為了提高渲染效率，不得不減少光源數(shù)目，嚴(yán)重影響了場(chǎng)景的表現(xiàn)。
　　為了解決場(chǎng)景中光源數(shù)目增加，渲染時(shí)間線性增長(zhǎng)的問(wèn)題，產(chǎn)生了多光源優(yōu)化的技術(shù)。多光源優(yōu)化技術(shù)降低了光源數(shù)目對(duì)效率影響的敏感度，使渲染時(shí)間和光源數(shù)目之間的關(guān)系降為亞線性。人們可以更多的關(guān)注于如何去模擬更

3、加真實(shí)的光照效果，而不必太擔(dān)心引入大量光源導(dǎo)致的效率下降。
　　本文針對(duì)經(jīng)典的幾種多光源優(yōu)化的算法進(jìn)行比對(duì)分析后，認(rèn)為基于層級(jí)結(jié)構(gòu)的Lightcuts算法具有較優(yōu)的加速效果，而且普適性較強(qiáng)，對(duì)于真實(shí)感渲染中的一些復(fù)雜的光照計(jì)算，像面積光、環(huán)境貼圖、基于虛擬點(diǎn)光源的間接光照等效果的實(shí)現(xiàn)，都有相應(yīng)的支持方案。其基本思想是先將光源按照規(guī)則聚類(lèi)成二叉樹(shù)，然后從樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始分裂，滿足錯(cuò)誤閾值范圍內(nèi)就停止分裂，用此時(shí)的結(jié)果（稱(chēng)為一個(gè)光源割）

4、作為光源進(jìn)行光照計(jì)算，減少了需要計(jì)算的光源數(shù)目。
　　本文中進(jìn)行研發(fā)的平臺(tái)是基于Renderman規(guī)范的開(kāi)源渲染引擎Pixie，能夠讀取rib文件，并支持用RenderMan著色語(yǔ)言(RSL)編寫(xiě)著色器。原始的Lightcuts多光源加速算法沒(méi)有對(duì)可編程著色器渲染系統(tǒng)的相應(yīng)支持方法，本文將Lightcuts算法與Pixie渲染引擎進(jìn)行了結(jié)合，在保證了可編程著色器靈活性的同時(shí)，設(shè)計(jì)了接口以支持Lightcuts多光源優(yōu)化算法。在實(shí)現(xiàn)

5、算法的過(guò)程中，本文根據(jù)引擎工作流程的特點(diǎn)，對(duì)算法進(jìn)行了優(yōu)化。而且通過(guò)觀察實(shí)際渲染過(guò)程，發(fā)現(xiàn)陰影處的加速效果不明顯，因此提出了陰影域和背景亮度兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在項(xiàng)目中應(yīng)用并得到了預(yù)期的效果。
　　本文實(shí)現(xiàn)Lightcuts算法主要針對(duì)與引擎工作流程的結(jié)合，只支持了基本光源（點(diǎn)光源，平行光，聚光燈），還需要擴(kuò)展支持光源的種類(lèi)。為了進(jìn)一步研究Lightcuts算法對(duì)面積光的支持，作為初步工作，本文還討論了對(duì)引擎中面積光實(shí)現(xiàn)方式的改進(jìn)。