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《基于光線跟蹤的方差陰影圖算法》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、基于光線跟蹤的方差陰影圖算法 摘要：提出了基于三維物體空間的光線跟蹤算法和基于二維屏幕空間的方差陰影圖算法的結(jié)合來進(jìn)行真實(shí)感場景的渲染，進(jìn)而產(chǎn)生真實(shí)感效果較好的陰影效果。經(jīng)典的蒙特卡羅光線跟蹤算法在進(jìn)行三維場景的渲染時需要進(jìn)行大量的求交計算，對光線進(jìn)行遞歸的跟蹤求解來模擬現(xiàn)實(shí)場景中的光線，通過大量間接光照的計算來獲得較強(qiáng)的真實(shí)感效果。而陰影又是影響場景真實(shí)感的重要因素，算法以渲染的像素為中心，依靠附近的像素來計算該點(diǎn)的深度的均值和方差，來判定該點(diǎn)所獲得的光照系數(shù)。實(shí)驗表明，通過本文的算法可以實(shí)現(xiàn)較好的陰影效果并且擁有較快的渲染效率?！ ￡P(guān)鍵詞：光線跟蹤
2、；方差陰影圖；求交計算 中圖分類號：TP18文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044（2016）03-0201-024 近年來，真實(shí)感三維圖形的繪制已經(jīng)成為計算機(jī)圖形學(xué)研究的重要方向，其目標(biāo)在于精確的模擬現(xiàn)實(shí)生活中光的傳播和各種光照效果，因此在對圖像質(zhì)量要求較高的領(lǐng)域，如電影和游戲制作中得到了廣泛的應(yīng)用。光線跟蹤算法是真實(shí)感圖形技術(shù)中的重要算法之一，應(yīng)用光線跟蹤模型不僅能模擬出真實(shí)的光源和環(huán)境光照射到物體表面產(chǎn)生的鏡面反射、漫反射和透射光照效果，還可以實(shí)現(xiàn)較為真實(shí)的明暗效果，也就是陰影。陰影在三維虛擬場景中扮演著重要的角色，陰影的效果可以直接的提現(xiàn)
3、圖形的真實(shí)感指數(shù)，它可以精確的反應(yīng)出場景中物體之間的相對位置，增加繪制效果的立體感和場景層次感。雖然光線跟蹤可以產(chǎn)生效果非常好的柔和陰影，但是由于其計算量非常龐大，需要遞歸的跟蹤計算很多次。而普通的陰影圖算法所產(chǎn)生的陰影真實(shí)感效果并不理想，所以提出了采用兩類算法的結(jié)合來產(chǎn)生陰影質(zhì)量較高的效果并且保證較好的場景渲染速度。 1方差陰影圖算法 普通的陰影圖算法雖然可以快速繪制出陰影，但在復(fù)雜場景下走樣比較嚴(yán)重。所以我們采用方差陰影圖算法VSM（Varianceshadowmap）來產(chǎn)生柔和陰影的效果。本文算法主要是在三維物體空間的光線跟蹤算法的基礎(chǔ)上，與二
4、維圖像空間的方差陰影圖算法的結(jié)合，在保證陰影質(zhì)量的同時，使得場景的繪制速度達(dá)到可交互的級別。和傳統(tǒng)的陰影圖算法一樣，首先以光源為視點(diǎn)對場景進(jìn)行渲染，對于方差陰影圖算法來說這一步需要獲取深度值和深度值的平方。通過下面的公式來計算均值[μ]和方差σ2： 求得光線與場景中每個點(diǎn)的深度值，選則以交點(diǎn)hitpoint為中心附近的9宮格（也可以更多，那樣效果更好）像素來進(jìn)行求取均值和方差。根據(jù)附近3x3像素范圍內(nèi)方差和均值所求得的系數(shù)與相應(yīng)的光強(qiáng)相乘得到該點(diǎn)的光強(qiáng)?！ 【唧w的判斷方法：假設(shè)第一次以光源為視點(diǎn)，進(jìn)行渲染，所得的深度為d為光源到hitpoint的距離，
5、進(jìn)行復(fù)雜的齊次矩陣坐標(biāo)變換后第二次從視點(diǎn)進(jìn)行渲染的時候，所得的交點(diǎn)與光源的距離為t。如果tu，則該點(diǎn)被遮擋，處于陰影之中，顏色直接設(shè)置成背景色。 2OptiX簡介4 本文算法就是利用OptiX來完成的。OptiX是由英偉達(dá)推出的光線跟蹤引擎，為GPU硬件提供大規(guī)模并行計算的框架，依靠這個框架可以使光線跟蹤的算法達(dá)到可交互式的目的。OptiX本身并不是一個光線跟蹤器，而是一個可擴(kuò)展的基于光線跟蹤算法的應(yīng)用程序框架。OptiX程序有兩部分組成：1）主機(jī)API（host-basedAPI）；2）CUDAC程序系統(tǒng)（CUDAC-basedprogrammin
6、gsystem）?！ ?實(shí)驗結(jié)果分析 實(shí)驗使用的計算機(jī)基本配置：Intel（R）XeonE3-1255v3CPU，4G主存，NVQuadroK2000GPU，編譯環(huán)境為vs2013。實(shí)驗使用的模型是Bunny模型，包含的三角形面片數(shù)量為14000個。我們采用英偉達(dá)的optix光線跟蹤加速程序框架來實(shí)現(xiàn)方差陰影圖。像素設(shè)置為1024*768，實(shí)驗結(jié)果如圖2： 從圖中可以清晰看出兔子模型所產(chǎn)生的陰影效果圖的邊緣是模糊漸變，陰影的效果接近柔和陰影的真實(shí)感效果。 根據(jù)實(shí)驗結(jié)果，總結(jié)出該方法有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： 1）使得光源變?yōu)榫酃鉄?，其角度基本和視域體的角度
7、相切，光源發(fā)射的所有光線所進(jìn)行的光線跟蹤計算達(dá)到最小，因為跟蹤的光線減少了。這樣就使得渲染場景所進(jìn)行的計算大大減少； 2）陰影的效果近似柔和，由上圖兔子陰影的邊緣可以看出，由于該效果是在點(diǎn)光源下產(chǎn)生的，所以對于光線的處理速度非?？?，效果比純粹的過濾陰影圖要快很多；4 3）不需要進(jìn)行陰影測試，由于把距離參數(shù)保存在矩陣當(dāng)中，所以也減少了計算量和內(nèi)存空間。該算法結(jié)果的幀數(shù)能達(dá)到20左右，可以達(dá)到交互式的級別。如果把光源換成面光源來處理，只需要進(jìn)行少量的點(diǎn)光源采樣就可以達(dá)到柔和陰影的效果，圖3是通過面光源產(chǎn)生的柔和陰影效果； 4）該算法不需要進(jìn)行預(yù)計算。
8、 參考文獻(xiàn)： [1]GlassnerAS.AnIntroductiontoRa
