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题目:基于图像空间的动态场景全局光照方法研究

关键词:动态场景;图像空间;实时全局光照;多次折射与反射;焦散;次表面散射;动态体阴影;GPU

  摘要

真实感图形实时绘制是虚拟现实的一个重要研究方向,利用符合光学规律的实时光照算法进行绘制,是提高虚拟现实系统沉浸感的重要手段。本论文以国家十一五863课题“支持大规模动态复杂场景的虚拟现实引擎系统”为背景,以消除预计算、提高绘制效率、支持复杂动态场景(由具有特殊材质的可变形柔体或可运动刚体构成的较大规模虚拟场景)为目标,通过对场景信息进行图像空间的动态采样转换并对光的物理传播过程进行分解计算,深入研究了经典光照现象的实时绘制方法。论文主要包括四个方面的研究内容:(1)多次折射与反射现象的绘制方面:折射与反射是常见的物理现象,光在透明材质中传播时一般会在入射表面和出射表面分别发生反射和折射,特殊情况下,还会在物体内部发生一次或多次全反射。对于包含多个透明物体的动态场景,光的传播过程就更为复杂。因此,折射和反射现象的逼真绘制必然要求进行递归的线面求交计算。由于线面求交的计算量随着场景复杂度的提高成指数增长,传统的光线跟踪算法一般无法实现实时绘制,而基于GPU的光线跟踪加速算法一般都需要对场景数据进行一定程度的预组织,且对显存消耗较大,因而很难适用于复杂动态场景。针对这一问题,本文提出一种基于图像空间的动态场景多次折射与反射实时绘制方法,该方法扩展了传统立方图纹理的定义,利用动态生成的、带深度信息的分层法线立方图,作为对整个动态场景几何信息的采样描述,并在此基础上,给出了针对次级光线传播的图像空间近似计算方法。该方法在获得良好光照绘制效果的前提下,充分挖掘了GPU的并行计算能力,满足了在绘制质量与绘制效率间进行灵活平衡控制的需要,较好地实现了复杂动态场景多次折射、反射(全反射)等全局光照现象的实时逼真绘制。(2)焦散现象的绘制方面:焦散作为一种经典的全局光照现象,对提升虚拟场景的逼真性具有十分重要的意义。虽然基于GPU加速的光子映射算法和基于预计算辐射度传递(PRT)的光照算法都可以实现焦散现象的实时逼真绘制,但GPU的流式处理模型限制了光子映射算法的适用范围,而PRT算法则存在预计算时间长,预计算数据对内存和显存消耗大以及很难全面支持动态复杂场景等问题。本文提出一种基于图像空间的动态场景焦散实时绘制方法,该方法借鉴Shadow Mapping和Photon Mapping的算法原理,将焦散的光传播计算过程进行了合理分解,并将焦散计算所需的几何数据动态地组织成浮点纹理,通过融入延迟着色思想,可完全基于图像空间实时绘制焦散这一全局光照现象。其主要优点是可全面支持复杂动态场景,算法效率受场景规模影响较小,并可方便地与动态阴影等绘制效果相结合。(3)次表面散射的绘制方面:次表面散射是半透明材质物体所特有的一种光学现象。现有的实时次表面散射绘制算法或多或少在如下几个方面存在限制:(a)限制场景的动态可变性;(b)限制半透明物体为均匀材质;(c)为了追求实时性而忽略物理逼真性。本文提出一种基于图像空间的动态场景次表面散射实时绘制方法,该方法首先给出了一种适用于非均匀材质的建模描述和映射模型;然后,通过对光照物理传递过程进行分解,提出了一种适用于半透明材质的光照计算模型及其基于图像空间的单次散射和多次散射近似计算方法;最后,在前二者的基础上,通过采用绘制到纹理技术进行延迟着色计算,实现了动态场景实时绘制的目标。(4)参与介质动态光影效果的绘制方面:参与介质环境下光影效果的实时绘制是全局光照算法的一个研究难点,因为光线除了与物体产生交互之外,构成参与介质的微小粒子也会影响其传播过程。与固定绘制流水线下简单的线性衰减模拟相比,目前在GPU上实现的基于物理的实时算法虽然更具逼真性,但仍很难实现非均匀参与介质环境下动态场景光照效果的实时绘制,并且由于该类算法一般都忽略了光在参与介质传播过程中的遮挡问题,因而很难实现体阴影、光束体等参与介质光照效果的实时逼真绘制。针对上述问题,本文提出了一种基于图像空间的参与介质动态光影效果实时绘制算法。算法将Shadow Mapping、Shadow Volume和Ray Marching算法进行了优势结合,分别给出了基于图像空间的参与介质属性描述、光照散射计算以及阴影体动态生成方法,实现了光晕、光束体、动态体阴影等光照效果的实时逼真绘制,可较好地满足非均匀参与介质环境下动态场景光影效果的实时绘制需要。