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面向虚拟现实环境的自然现象模拟关键技术的研究

作　者: 王洁宁
导　师: 孙济洲
学　校: 天津大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 自然现象模拟实时绘制 GPU 天空光照过程纹理
分类号: TP391.9
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 827次
引　用: 7次
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内容摘要

自然现象模拟一直是计算机图形学领域一个具有挑战性的课题,在影视动画、虚拟现实和计算机游戏软件等众多领域得到了广泛应用和关注。近年来,自然现象模拟已经成为全球图形学领域研究的热点问题。但由于自然现象本身存在复杂的物理背景和明显的随机特征,目前研究中仍然存在许多亟待解决的问题,尤其表现在自然现象的实时模拟方面。进入21世纪以来,随着拥有GPU处理器的新一代图形硬件的推出,研究者将希望的目光投向了GPU可并行计算性能上,本文主要就自然现象模拟中复杂物理光照、大气散射光照和随机噪声模拟等几个关键性问题进行了深入的研究,并依据GPU的处理机制提出了实时计算、模拟的方法。首先,针对满足BRDF特性的Cook-Torrance局部光照模型和Ashikhmin局部光照模型分别提出了基于延时绘制的实时计算方法和基于纹理分解的实时计算方法,该方法在保证图形绘制真实感的前提下有效提高了图形绘制速度。其次,针对玉雕作品等半透明物质存在内部光线散射的特点,本文在深入研究了BSSRDF光照模型的基础之上,提出了一种基于GPU计算的简化BSSRDF光照计算方法,该方法在保证图形绘制真实感的情况下,有效提高了绘制效率,达到了交互实时绘制的要求。而基于物理光照处理的室外光照是获取高度真实感图形绘制的一个重要方面,它在飞行模拟、游戏软件中具有很好的应用前景,本文深入研究了大气光散射模型,并在此基础上提出了一种适合于任意视点的天空和天空透视光照计算方法。又因Perlin噪声和流速噪声是目前图形学领域模拟自然现象的一种重要手段,本文针对Perlin噪声计算花费较高的问题,提出了基于GPU计算的实时Perlin噪声生成方法,并在此基础上提出了采用四元数表示的流速噪声实时模拟方法,最后采用噪声纹理对火焰这一自然现象进行了模拟。

全文目录

目录  6-9
图表目录  9-11
第一章绪论  11-18
  1.1 课题研究背景、目的与意义  11-13
  1.2 自然现象模拟技术的研究现状与面临的问题  13-16
  1.3 本文主要研究工作和创新之处  16-17
  1.4 论文结构  17-18
第二章自然现象模拟研究基础  18-37
  2.1 自然现象模拟研究的复杂性  18-20
  2.2 光照模型及其绘制方程  20-26
    2.2.1 立体角的概念  20-21
    2.2.2 基于物理的反射光照模型  21-26
      2.2.2.1 光照计算方程  23
      2.2.2.2 近似反射光照模型  23-25
      2.2.2.3 BRDF 分解技术  25-26
    2.2.3 自然光光照模型  26
  2.3 自然现象模拟技术及其分类  26-35
    2.3.1 基于分形的自然现象模拟技术  26-29
    2.3.2 基于过程纹理的自然现象模拟技术  29-30
    2.3.3 基于粒子系统的自然现象模拟技术  30-33
    2.3.4 基于经验模型的自然现象模拟技术  33-35
    2.3.5 基于流体动力模型的自然现象模拟技术  35
  2.4 基于GPU 交互实时自然现象模拟的研究现状  35-37
第三章基于图形硬件加速的逐像素凹凸纹理绘制技术的研究  37-51
  3.1 基于现代可编程图形显示硬件的实时绘制技术  37-44
    3.1.1 图形绘制流水线机制  37-42
      3.1.1.1 固定图形绘制流水线  38-39
      3.1.1.2 可编程图形绘制流水线  39-42
    3.1.2 基于图形硬件的绘制语言  42-44
      3.1.2.1 基于过程绘制的语法分析模型  42-43
      3.1.2.2 图形硬件绘制指令  43
      3.1.2.3 高级图形绘制语言  43-44
  3.2 问题的提出  44-45
  3.3 基于硬件支持的凹凸纹理实时绘制技术  45-51
    3.3.1 凹凸纹理的数学模型和光照计算  45-46
    3.3.2 实时凹凸纹理绘制的硬件加速实现  46-49
    3.3.3 实验结果与讨论  49-51
第四章复杂局部物理光照实时计算的研究  51-70
  4.1 问题的提出  51-52
  4.2 基于延时光照的Cook-Torrance 光照模型实时计算技术的研究---  52-59
    4.2.1 Cook-Torrance 局部光照模型  52-53
    4.2.2 延时光照技术  53
    4.2.3 Cook-Torrance 延时光照计算模型的设计和实现  53-56
    4.2.4 实验结果与讨论  56-59
  4.3 基于纹理计算的Ashikhmin 光照实时绘制技术的研究  59-64
    4.3.1 Ashikhmin 局部光照模型及其纹理表示  59-60
    4.3.2 基于实时纹理计算的Ashikhmin 光照设计和实现  60-63
    4.3.3 实验结果与讨论  63-64
  4.4 玉雕作品的实时绘制技术的研究  64-70
    4.4.1 BSSRDF 光照的基本原理和光照模型  64-66
    4.4.2 玉雕作品简化BSSDRF 光照计算的设计和实现  66-68
    4.4.3 实验结果与讨论  68-70
第五章自然光光照实时绘制技术的研究  70-83
  5.1 问题的提出  70-71
  5.2 大气光散射模型及其绘制方程  71-75
    5.2.1 大气光散射和吸收模型  71-73
    5.2.2 大气光散射和吸收模型的绘制方程  73-75
  5.3 基于GPU 的自然光光照计算模型  75-83
    5.3.1 天空和天空透视光照模型的简化  75-76
    5.3.2 面向天空和天空透视光照计算的几何信息表示  76-79
    5.3.3 天空和天空透视光照计算的硬件加速技术  79-83
第六章基于噪声的实时自然现象模拟的研究  83-91
  6.1 问题的提出  83
  6.2 基于 GPU 的 Perlin 三维噪声的实时计算模型  83-87
  6.3 基于 GPU 的三维流速噪声的实时计算模型  87-88
  6.4 基于噪声的火焰模拟技术的研究  88-91
    6.4.1 二维火焰模拟  88-89
    6.4.2 三维火焰模拟  89-91
第七章结论与展望  91-93
参考文献  93-103
发表论文和科研情况说明  103-104
致谢  104

面向虚拟现实环境的自然现象模拟关键技术的研究

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