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基于GPU的真实感实时渲染技术研究与实现

作　者: 张煜君
导　师: 陈雷霆
学　校: 电子科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 计算机图形学 真实感渲染 GPU 高级作色程序语言
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


真实感图形学是计算机图形学的核心内容之一,也是最能直接反映图形学魅力的分支。真实感渲染技术涵盖了外观建模、光照处理、纹理材质和渲染特效等多个方面的内容,因此,真实感渲染在计算机图形学研究中越来越受到关注,成为一个重要的研究领域。同时随着GPU可编程能力的不断提高和基于GPU的高级编程语言的出现,也进一步推动了真实感图形学绘制技术的发展,而本文的研究与实现也正是基于图形处理硬件与相关图形算法和程序基础之上的。本文对目前基于图形处理单元的真实感渲染技术,特别是水面和光照效果模拟的方法进行了深入的研究和分析。在此基础上,结合所参与的“数字展示平台”项目的需求,实现了平台中的GPU真实感渲染模块,其中包括:自适应的不同场景复杂度下的真实感的水面模拟,基于GPU和光线追踪的全局光照渲染,部分真实感材质的封装和材质插件等内容。在真实感水面模拟方面,本文分别利用网格结合高度场模拟以及平面纹理扰动实现两种级别的真实感水面。对其中perlin噪声函数的实现方法以及光学特性的实现进行改进。对于真实感光照的渲染,根据光线追踪模型算法,形成了一整套基于GPU的光线追踪器和加速算法的实现过程。完成了一个基于GPU的提高渲染真实性的基本模块及部分真实感材质资源。最后对数字展示平台系统的设计与实现进行了介绍,并对一个独立验证系统进行了展示。在本文的写作和相关项目的实现中,涉及到了几类真实感渲染算法和技术。部分是对现有的一些方法在GPU上的实现,另外对于一些方法本身的不足提出了相应的改进意见,重点在于利用可编程图形硬件和高级渲染程序来实现这些技术方法,并在虚拟场景的数字展示中得以应用。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-24
  1.1 研究背景与课题来源  10-11
  1.2 国内外研究情况  11-17
    1.2.1 真实感水面模拟技术  11-13
    1.2.2 真实感光照模拟方法  13-16
    1.2.3 材质和纹理技术  16-17
  1.3 图形处理单元（GPU）概述  17-22
    1.3.1 计算机图形硬件发展  17-18
    1.3.2 图形硬件流水线  18-19
    1.3.3 可编程图形流水线  19-21
    1.3.4 Cg 语言  21-22
  1.4 本文主要工作  22-23
  1.5 论文结构安排  23-24
第二章 真实感水面的模拟  24-54
  2.1 引言  24
  2.2 水面网格的生成  24-31
    2.2.1 带LOD 的平面网格生成  24-27
    2.2.2 投影网格生成  27-31
  2.3 水面高度场的模拟  31-40
    2.3.1 基于FFT 水面高度场的实现  31-34
    2.3.2 基于perlin 噪声水面高度场的生成  34-38
    2.3.3 对perlin 噪声的改进  38-40
  2.4 基于凹凸映射和扰动纹理的快速水面模拟  40-43
  2.5 水面光学特性的模拟  43-50
    2.5.1 水面光学特性概述  43-47
    2.5.2 水面光学的渲染  47-50
  2.6 实验结果  50-53
  2.7 本章小结  53-54
第三章 全局光照的模拟  54-76
  3.1 引言  54
  3.2 全局光照方法的研究  54-64
    3.2.1 光线追踪算法  55-57
    3.2.2 辐射度算法  57-60
    3.2.3 光子映射算法  60-64
  3.3 基于光线追踪真实感光照的实现  64-71
    3.3.1 光线追踪框架  64-65
    3.3.2 原始光线的产生  65-66
    3.3.3 GPU 求交器的实现  66-70
    3.3.4 光线的迭代跟踪和渲染  70-71
  3.4 使用层次包围体（BVH）结构的改进算法  71-75
    3.4.1 包围体层次的构建  72-73
    3.4.2 遍历BVH  73-74
    3.4.3 实验结果  74-75
  3.5 本章小结  75-76
第四章 部分真实感材质实现  76-83
  4.1 引言  76
  4.2 材质系统  76-78
  4.3 几种真实感材质的实现  78-82
    4.3.1 火焰  78-79
    4.3.2 玻璃  79-80
    4.3.3 木纹  80-81
    4.3.4 金属  81-82
  4.4 本章小结  82-83
第五章 真实感渲染系统与展示平台设计与实现  83-95
  5.1 引言  83
  5.2 真实感渲染子系统设计与实现  83-87
    5.2.1 子系统设计目标  83-84
    5.2.2 子系统功能需求  84
    5.2.3 子系统模块设计  84-86
    5.2.4 子系统静态结构  86-87
  5.3 数字展示平台设计  87-91
  5.4 “神话金沙”验证系统展示  91-94
  5.5 本章小结  94-95
第六章 总结与展望  95-97
致谢  97-98
参考文献  98-102

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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