● 摘要
虚拟场景中的阴影效果起着相当重要的地位，直接影响到生成图像的视觉真实感，是逼真图形绘制的重要问题之一。目前硬阴影绘制已经可以满足实时图形应用的要求，应用较为广泛，而软阴影绘制受制于图形硬件发展、图形绘制平台结构等因素仍处于初步研究阶段。软阴影的绘制通常多为面向图形可编程流水线的复杂多遍绘制，要求图形绘制平台提供较强的绘制支持，因此研究可在图形绘制平台中应用的软阴影绘制方法具有重要意义。本文进行的研究工作以实现北航虚拟现实教育部重点实验室开发的自主知识产权的实时三维图形平台BH_GRAPH中软阴影绘制为目标，具体的内容包括以下三个部分：（1）一种基于对象空间的软阴影算法。本文的软阴影算法以Shadow Volume算法为基础，通过添加辅助图元的方法来计算软阴影的柔和度。与同类方法相比，本文给出了球形光源的半影楔构造方法，并在此基础上设计了软阴影柔和度的计算方法，实现了多光源条件下同时支持软硬阴影效果的绘制流程。（2）一种可扩展的图形绘制平台体系结构。本文提出的软阴影算法依赖于强有力的图形绘制平台作为实现基础，然而当前图形绘制平台普遍存在大系统、紧耦合、面向固定流水的特点，使得图形平台的绘制能力、绘制对象描述能力和组件扩展能力受到严重束缚，不利于软阴影这类算法的实现。为此本文给出了一种可扩展的图形平台体系结构，该结构将场景管理器作为核心控制模块，以场景图和广义材质为核心数据结构，具有可扩展的绘制循环和概念清晰的数据流结构，易于扩展。（3）软阴影算法在BH_GRAPH中的设计与实现。本文给出了BH_GRAPH的核心模块的类结构设计，给出了该图形绘制平台对面向GPU编程的支持，用控制不同的命令单元的方式控制固定流水的命令和Shader命令的发送，并在此基础上给出了阴影模块的设计，通过对多个缓存和中间纹理作用的描述论述了软阴影的动态绘制过程。本文工作已经集成到实时三维图形平台BH_GRAPH中，并给出了软阴影的实现效果以及在两种消费级显卡上的实验数据，说明了本文的软阴影方法可以取得实时的效果，可以基本满足实用要求。