基于光子映射的全局光照技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)字動(dòng)漫與影視產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也逐漸走入我們的生活中。為了帶給人們更加真實(shí)的觀影和體驗(yàn)效果，高度真實(shí)感繪制技術(shù)在影視動(dòng)漫游戲等作品的制作中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。優(yōu)秀電影和動(dòng)漫作品的不斷涌出離不開(kāi)繪制技術(shù)的不斷發(fā)展，更加真實(shí)的繪制效果使動(dòng)漫電影的作品質(zhì)量得到質(zhì)的飛躍。然而高度真實(shí)感繪制算法是計(jì)算復(fù)雜的，尤其是三維動(dòng)漫和特效電影作品的場(chǎng)景設(shè)計(jì)都包含大量的模型，材質(zhì)，燈光等，這使得在這些作品的制作中繪制成為最為耗時(shí)的階段之一。因此

2、，研究逼真而高效的繪制算法和充分利用計(jì)算硬件計(jì)算能力的并行繪制算法，提升算法計(jì)算效果和計(jì)算速度，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和繪制領(lǐng)域最重要的研究課題之一。
　　全局光照算法是真實(shí)感繪制中核心的部分，全局光照是指除了計(jì)算物體表面從光源接收到的光照外，還要計(jì)算場(chǎng)景中物體相互作用后到達(dá)物體表面的光照，以及物體自身所發(fā)出的光照。在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，通常使用繪制方程來(lái)求解全局光照問(wèn)題?，F(xiàn)實(shí)中，人們能看到一個(gè)物體，是因?yàn)檫@個(gè)物體或反射或自發(fā)光射出的光能進(jìn)入

3、了人們的眼睛。繪制方程即是描述了在物體表面上的一個(gè)點(diǎn)處所有對(duì)它產(chǎn)生照射的光能和在這一點(diǎn)上某個(gè)出射方向出射光能的關(guān)系。
　　光子映射算法通過(guò)求解繪制方程完成繪制，是一種多遍繪制的全局光照算法。第一遍繪制是光子追蹤過(guò)程，光子追蹤的目的是記錄在漫反射表面的光照信息，從場(chǎng)景的光源處發(fā)射光子，光子是帶有一定光通量的最小單位。光子在場(chǎng)景中反彈和表面發(fā)生交互，并在非鏡面表面保存，最后產(chǎn)生光子圖(Photon Map)。光子圖是光子映射的中間結(jié)果

4、，需要緩存到內(nèi)存中，一般使用KD-樹(shù)組織存儲(chǔ)。第二遍繪制是光線追蹤和輻射亮度估計(jì)過(guò)程。按照光線追蹤流程，從屏幕空間發(fā)射光線來(lái)計(jì)算屏幕空間像素顏色，追蹤這些光線，在光線與幾何相交的著色點(diǎn)處收集一定數(shù)目的最近鄰光子計(jì)算出射輻射亮度并完成著色計(jì)算。
　　本文首先對(duì)光子映射算法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析，將光子映射算法的優(yōu)化算法進(jìn)行分類，從輻射亮度估計(jì)優(yōu)化，光子分布優(yōu)化，光子圖生成優(yōu)化，漸進(jìn)式光子映射優(yōu)化和并行光子映射算法優(yōu)化這五個(gè)方面進(jìn)行劃

5、分，總結(jié)各類方法的特點(diǎn)以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。并且從結(jié)果的平滑程度，特征保持，和內(nèi)存及繪制效率三個(gè)方面比較優(yōu)化程度。最后對(duì)光子映射算法未來(lái)的研究方向提出建議并根據(jù)光子映射算法中存在的問(wèn)題開(kāi)展研究。
　　在光子映射算法中，通過(guò)收集最近鄰光子來(lái)估計(jì)著色點(diǎn)處的出射輻射亮度是計(jì)算中的核心步驟，同時(shí)由于光子的離散分布也引入了一定的偏差和噪聲。本文針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種基于梯度的光子映射算法。利用光子分布的梯度檢查區(qū)分光照平滑表面和光照變化特征表

6、面，在光照平滑的表面，計(jì)算的梯度值小，需要保持較大的搜索范圍以去除噪聲;而在光照變化的特征處，計(jì)算的梯度值大，需要自適應(yīng)地縮小光子搜索范圍和改變搜索范圍的形狀，使光子收集盡量不跨越特征范圍而減少偏差現(xiàn)象?；谔荻鹊墓庾佑成渌惴ㄔ谑占庾舆^(guò)程中只增加梯度值計(jì)算和梯度值控制，計(jì)算簡(jiǎn)單，不增加內(nèi)存使用，并且易于在當(dāng)前的光子映射算法的框架中實(shí)現(xiàn)和集成，同時(shí)可以獲得更優(yōu)的繪制效果。
　　漸進(jìn)式光子映射算法有別于傳統(tǒng)的光子映射算法，它通過(guò)光子

7、迭代發(fā)射實(shí)現(xiàn)無(wú)限大的光子計(jì)算，來(lái)解決傳統(tǒng)的光子映射算法無(wú)法保存超大光子圖的問(wèn)題。由于需要大量的迭代計(jì)算次數(shù)達(dá)到繪制要求，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，本文提出了一種基于樣本消除的漸進(jìn)式光子映射算法，算法通過(guò)使用樣本處理的方法從光子分布中去除一定的噪聲從而達(dá)到優(yōu)化繪制效果，加速繪制效率的目的。算法的核心思想是在每一遍光子繪制中，加入一步使用光子消除處理光子圖的計(jì)算過(guò)程，并且在多次迭代中引入一顆全局的消除狀態(tài)樹(shù)保存和不斷更新消除的中間數(shù)據(jù)。消除狀態(tài)樹(shù)保存局部

8、的光子分布密度和局部光子消除比例，并可以使?fàn)顟B(tài)樹(shù)的采樣點(diǎn)分布符合光子分布。在光子繪制過(guò)程，通過(guò)改進(jìn)樣本消除的計(jì)算使它適合光子繪制中不同的光子分布密度的消除，并不斷迭代完善狀態(tài)樹(shù)中保存的用于光子消除的光子分布信息，確保消除后剩余光子分布的準(zhǔn)確。同時(shí)，基于消除狀態(tài)樹(shù)中局部光子消除信息，我們提出了光子消除的并行策略，將光子按包圍盒劃分并分塊處理，使光子消除的效率控制在可使用的范圍內(nèi)。通過(guò)狀態(tài)樹(shù)的維護(hù)和并行策略的優(yōu)化，基于樣本消除的漸進(jìn)式光子映

9、射算法可以促進(jìn)漸進(jìn)式光子映射算法的加速收斂，同時(shí)保證光照分布的準(zhǔn)確性。
　　除了使用優(yōu)化算法提高繪制效率，本文還提出一種在Intel眾核架構(gòu)(ManyIntegrated Core，MIC)上實(shí)現(xiàn)的并行光子映射算法，充分考慮協(xié)處理器的并行處理能力和16位浮點(diǎn)數(shù)寬度向量計(jì)算單元。在光子發(fā)射階段，每個(gè)光子初始化后都有不同的方向，采用單條光線并行地和場(chǎng)景樹(shù)求交的算法將光子追蹤過(guò)程部署在MIC協(xié)處理器并行加速。每個(gè)線程負(fù)責(zé)處理一條光線，將

10、場(chǎng)景組織成四叉的BVH樹(shù)(Quad Bounding Volume Hierarchy Tree)，使用向量計(jì)算單元并行計(jì)算單條光線和一個(gè)樹(shù)節(jié)點(diǎn)的四個(gè)孩子包圍盒并行求交。在第二步光子繪制階段，利用著色點(diǎn)之間的連貫性，使用向量計(jì)算單元并行地計(jì)算每個(gè)著色點(diǎn)的最近鄰光子搜索。首先將一組著色點(diǎn)按照相似性聚類。每個(gè)MIC協(xié)處理器線程負(fù)責(zé)處理一個(gè)著色點(diǎn)類，在一個(gè)著色點(diǎn)類內(nèi)，首先為這個(gè)類搜索一個(gè)初始的最近鄰范圍，利用向量計(jì)算單元并行地在這一初始范圍內(nèi)

11、為每個(gè)著色點(diǎn)挑選它的最近鄰光子，算法采用了數(shù)據(jù)直方圖統(tǒng)計(jì)的方式計(jì)算每個(gè)著色點(diǎn)的最近鄰搜索范圍。算法通過(guò)兩個(gè)不同階段的并行方案，將光子映射算法首次部署在搭載MIC協(xié)處理器的服務(wù)器上，達(dá)到精確計(jì)算的同時(shí)又取得了最優(yōu)的并行加速效率。
　　本文研究基于光子映射的全局光照算法，在分析光子映射算法發(fā)展的基礎(chǔ)上，提出有效的優(yōu)化算法，提升光子映射算法的繪制效果和繪制效率。并提出了在IntelMIC架構(gòu)服務(wù)器上部署的并行光子映射算法，在未來(lái)的發(fā)展中