面向游戲與動畫應(yīng)用的陰影技術(shù)研究.pdf

1、伴隨著計算機圖形硬件技術(shù)不斷地更新?lián)Q代,各類主流三維游戲?qū)τ陉幱颁秩镜膶崟r性與可交互性提出了更高的要求。同時,隨著大型復(fù)雜光照環(huán)境在游戲、電影及動面中的廣泛應(yīng)用,強大高效的真實感陰影渲染成為技術(shù)研究的一大熱點。本論文工作針對游戲與動面場景繪制中的實時高真實感陰影渲染進行深入的研究。目前,一些衍生自硬陰影渲染算法的軟陰影算法,雖然能夠達到較好的實時性,但是僅適用于一些局部光源而無法在復(fù)雜光照環(huán)境下獲得具備一定真實感的陰影效果。相對地,一些

2、如光線跟蹤之類的全局光照算法,雖然能夠保證非常真實的渲染效果,但由于算法復(fù)雜計算量較大而只能用于離線渲染。另一種以渲染方程為基礎(chǔ)的PRT方法,通過將陰影渲染過程有效分解為預(yù)處理與實時渲染兩個階段,既能使陰影渲染在實時條件下進行也能夠保證一定真實感效果。本文工作以(基于哈爾小波的)在高頻光照環(huán)境下應(yīng)用于動態(tài)場景渲染的PRT方法為基礎(chǔ)進行展開。在過去的一些動態(tài)場景PRT方法中,由于圖形硬件本身的限制,只能夠在立方體映射空間下對遮擋函數(shù)進行采

3、樣并計算渲染方程。然而在立方體映射空間中,基于哈爾小波的物體旋轉(zhuǎn)問題較難進行處理。因此,本文選擇在球面極坐標(biāo)系上完成對于各類函數(shù)的采樣以及渲染方程的計算,并使得物體旋轉(zhuǎn)問題得到有效解決。此外,為了提高真實感陰影在實時狀態(tài)的渲染效率,我們選擇在GPU上來實現(xiàn)渲染方程的計算。本文的工作和主要貢獻在于:(1)利用陰影場的形式對遮擋函數(shù)進行采樣。提出了在球面極坐標(biāo)系上利用GPU光柵化特性以及GeometryShader對于遮擋函數(shù)進行采樣的方法

4、。該方法也能擴展到一些其他的參數(shù)坐標(biāo)系,使得動態(tài)場景PRT方法不再局限于立方體映射空間。(2)利用Tree-Structured算法來完成渲染方程的計算。提出了一套對Tree-Structured算法在GPU上進行實現(xiàn)的方案:針對在GPU上實現(xiàn)AugTree數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要受制于寄存器資源瓶頸這一點,提出了能較好地控制寄存器資源消耗的兩種實現(xiàn)方式,為該算法實現(xiàn)提供了基礎(chǔ);根據(jù)環(huán)境光源的獨有特點,對算法流程進行調(diào)整以減少迭代次數(shù)并進行相應(yīng)優(yōu)化

5、。此外,我們也根據(jù)GPU的特性優(yōu)化該算法各實現(xiàn)環(huán)節(jié)。(3)提出了在實時條件下基于哈爾小波在球面極坐標(biāo)系上解決物體旋轉(zhuǎn)問題的方法,并利用旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣對遮擋函數(shù)的系數(shù)向量進行線性調(diào)整;提出了基于GPU和CPU等兩種對于旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣的計算方法,并對旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣的計算過程進行大幅優(yōu)化。實驗結(jié)果表明:本文提出的遮擋函數(shù)采樣方法與陰影測試線方法相比,不僅保證很小的誤差,更使得采樣效率得到較大提升;對于Tree—Structured算法流程調(diào)整后所做