题目：基于可编程图形硬件的高动态范围实时光照算法研究

真实感图形实时绘制技术是构造虚拟环境的一项核心技术，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863项目“多兵种武器平台级分布式虚拟战术综合演练场”和国家973计划项目“分布式虚拟环境技术”为背景，以基于图像的光照、预计算辐射度传递等算法为基础，深入研究了计算机图形学实时光照算法，主要研究内容包括：（1）随着计算机图形软、硬件水平的不断提高，用户对计算机生成的绘制结果，特别是实时绘制结果有了更高的要求。传统上由固定绘制流水线提供，基于简单局部光照模型的光照方法在绘制质量上已经不能满足用户的需求。针对这一问题，本文给出了一种基于图像的快速光照算法，该算法有效扩展了传统简单光照模型中对光源的定义，允许使用复杂的环境光源对被绘制对象进行照明。算法利用球面调和函数系数方式表示低频高动态范围光照图像，在获得良好光照效果的前提下，有效节约了系统内存开销。虽然算法仍然属于局部光照模型，但其绘制效果与简单局部光照模型算法的绘制效果相比有了较大改进。（2）近年来，可以较容易实现实时全局光照的基于辐射度传递的光照算法逐渐成为研究热点。针对基于CPU的实时绘制全频阴影算法内存使用效率低下、CPU运算能力消耗严重等问题，本文提出了一种基于GPU（Graphics Proceesing Unit）的改进算法。算法首先在预计算过程中使用基于小波变换的预计算辐射度传递（Precomputed Radiance Transfer，PRT）算法生成辐射度传递矩阵，然后将其编码为易于被GPU使用的稀疏形式；在绘制过程中使用具有高度并行性的片断着色器程序进行稀疏矩阵向量快速乘法计算，以求得最终绘制结果。相对于目前基于CPU的相应算法，本文算法充分利用了GPU的并行计算能力，平衡了CPU与GPU之间的负载，并同时降低了内存消耗。相对于前人的工作，本文的工作具有更好的实用性。（3）针对已有半透明物体模拟算法物理真实性与实时性不能兼顾的问题，提出了综合基于图像的光照（Image Based Lighting，IBL）和预计算辐射度传递（PRT）方法的半透明材质次表面散射模拟算法。算法将半透明物体的环境入射光近似分解为漫反射入射光、镜面反射入射光、折射入射光和漫射入射光等四种主要成分，对其分别使用IBL算法或PRT算法进行绘制。相对现有算法有两个主要优点：一是由于对半透明材质进行了合理的光传递分解，提高了算法的物理真实性；二是充分利用了IBL、PRT方法计算速度较快的优点，达到了实时绘制的目标。（4）随着图形硬件技术的不断进步，新一代图形硬件中出现了多种上一代固定绘制流水线图形硬件中从未出现过的特性。其中，可编程流水线、对高动态范围绘制的支持以及以并行处理为基础的高速绘制等都是消费级图形硬件中的最新功能。与此相矛盾的是，仍然被继续使用的上一代图形绘制框架并非以此模型为基础进行设计。因此，在软件与硬件之间产生了需要解决的矛盾。针对这一问题，本文给出了以新一代图形硬件为目标平台的新型绘制框架。在此绘制框架内，三维应用程序可以有效利用GPU的可编程特性，不需特别处理，即可直接支持高动态范围绘制。绘制框架还提供了模拟镜头眩光、动态色调映射以及Gamma校正等功能，进一步增强了输出图像的质量。本文所有实验全部在此绘制框架下完成，证明了此绘制框架的有效性。