基于預(yù)計(jì)算的交互式全局光照明研究.pdf

1、全局光照明效果為用戶提供了虛擬場(chǎng)景中的物體形狀、材質(zhì)以及相互位置關(guān)系的重要信息，從而能夠大大提高計(jì)算機(jī)生成圖像的真實(shí)感。盡管在很多交互應(yīng)用中都需要全局光照明效果，但過(guò)高的計(jì)算代價(jià)還是使得其一直局限于離線應(yīng)用中。近年來(lái)，很多研究都試圖將全局光照明集成到交互式應(yīng)用中，例如光照明設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以及電子游戲等等。為了降低運(yùn)行時(shí)的計(jì)算開(kāi)銷，以提供交互級(jí)的繪制速度，一條主要的思路是引入預(yù)計(jì)算，并將一部分運(yùn)行時(shí)的計(jì)算量前移到預(yù)計(jì)算階段執(zhí)行。

2、 本學(xué)位論文研究通過(guò)預(yù)計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)交互式的全局光照明模擬，我們提出了兩種新的算法。 在第一種算法中，我們首先建立了一個(gè)離散的線空間，并提出一種兩步掃描轉(zhuǎn)換算法來(lái)快速獲取該空間中的采樣直線與場(chǎng)景的交點(diǎn)，采樣結(jié)果被組織成一種新的可見(jiàn)性表述，交點(diǎn)場(chǎng)(i-eld)。在運(yùn)行時(shí)，光能傳輸計(jì)算必須的光線與場(chǎng)景的求交運(yùn)算被簡(jiǎn)化為在交點(diǎn)場(chǎng)中的查詢操作。通過(guò)分析輸運(yùn)方程，光照明可以被分解為間接輻照度、直接輻照度和可見(jiàn)度?；谶@一分解，我們通過(guò)一個(gè)基

3、于GPU的繪制實(shí)現(xiàn)來(lái)進(jìn)一步提高性能。利用光線空間交點(diǎn)樣本之間的相關(guān)性，我們還提出了一種基于游程編碼的交點(diǎn)場(chǎng)壓縮技術(shù)。 在第二種算法中，我們用球諧函數(shù)(SH)矢量來(lái)表達(dá)低頻的光源、反射特性和可見(jiàn)性，并用若干球體來(lái)逼近場(chǎng)景中物體的幾何。只需使用較少的球體就能很好地近似物體的遮擋特性，物體的低頻可見(jiàn)性特征能被有效地保持。運(yùn)行時(shí)，需要在每個(gè)接收點(diǎn)處計(jì)算球體遮擋物的可見(jiàn)性球諧矢量積。在這里，我們沒(méi)有使用前人的方法來(lái)直接計(jì)算SH積，而是轉(zhuǎn)而

4、計(jì)算球體遮擋物的對(duì)數(shù)可見(jiàn)性(通過(guò)預(yù)計(jì)算獲得)的和，然后使用球諧指數(shù)運(yùn)算來(lái)獲得所有遮擋物的可見(jiàn)性球諧矢量積。在低階球諧函數(shù)下，我們給出了球諧指數(shù)運(yùn)算的一個(gè)近似方法來(lái)加速計(jì)算，并證明了這一近似的精確性。由于逐頂點(diǎn)的計(jì)算得到了大幅簡(jiǎn)化，該算法能夠很容易地在GPU上實(shí)現(xiàn)，相比之前方法有10倍以上的加速。我們稱這一新算法為SHEXP。 上述兩種算法解決宏觀的光能傳輸問(wèn)題，而對(duì)于由物體表面細(xì)節(jié)引起的光能傳輸則無(wú)法表現(xiàn)。后一類問(wèn)題被稱為介觀光