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光线追踪在空间目标与地球场景渲染中的研究与实现

作　者: 谢文明
导　师: 孟新；彭晓东
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 计算机应用技术
关键词: 光线追踪 3DS模型 KD树光照模型 Monte Carlo 大气效果
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 213次
引　用: 1次
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内容摘要

随着航天技术的发展和计算机图形学的进步,人们对空间任务仿真可视化的效果需求越来越高。光线追踪是一种基于几何光学原理生成真实感图形的通用技术,它采用一种统一的模型来模拟光源和环境入射光在物体表面产生的漫反射、镜面反射和散射、介质中产生的透射、折射和衰减等光学现象,实现场景消隐、阴影生成、水面波动、大气效果等复杂特效的渲染。将光线追踪算法引入到空间场景的渲染中,不仅可以较真实的展现可见光波段的空间科学任务,而且可以应用到不具备光谱特性的科学数据的可视化中。本文研究了如何将场景信息进行组织以形成适合于光线追踪算法加速的数据形式,同时解决了如何将3DS格式模型转化为本系统的基本图元。为了生成更为真实的图像,本文引入了Mersenne Twister随机扰动来对漫反射光线进行追踪,同时使用比耳定律来模拟光线在半透明物体中的衰减以及根据Monte Carlo理论来生成软阴影,形成了非常逼真的渲染效果。在大气效果绘制方面,对Nishita单散射模型的建立过程进行了详细介绍,并指出了O’Neil大气散射绘制的不足,将其改造为光线追踪模式融入到本文所建立的渲染系统中。最后,本文采用模块化的方式基于分层组织的思想设计了一个通用、可扩展的光线追踪系统,为以后空间任务的可视化提供了一个基础框架。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
图索引  10-11
表索引  11-12
第一章绪论  12-16
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-14
  1.3 本文主要研究内容与结构  14-16
第二章光线追踪概述  16-20
  2.1 光线追踪基本原理  16-17
  2.2 光线追踪过程  17-19
  2.3 本章小结  19-20
第三章场景组织与管理  20-42
  3.1 空间目标的绘制  20-27
    3.1.1 3DS 文件格式介绍  20-22
    3.1.2 3DS 文件的读取  22-25
    3.1.3 3DS 文件的解析  25-27
  3.2 基于规则格网的场景组织  27-37
    3.2.1 规则格网的生成  27-29
    3.2.2 生成过程中的相关算法  29-31
    3.2.3 格网搜索算法  31-36
    3.2.4 相交测试改进  36-37
  3.3 基于 KD 树的场景组织  37-41
    3.3.1 KD 树的生成  37-40
    3.3.2 KD 树的搜索  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章光照计算  42-52
  4.1 光照模型  42-47
    4.1.1 光照模型原理  42-43
    4.1.2 相交点光照计算  43-47
  4.2 相关效果处理  47-51
    4.2.1 漫反射光线的追踪  47-49
    4.2.2 折射光线的追踪  49-50
    4.2.3 软阴影的生成  50-51
  4.3 本章小结  51-52
第五章大气效果绘制  52-62
  5.1 大气绘制基础  52-58
    5.1.1 大气特性介绍  52-54
    5.1.2 Nishita 单散射模型  54-58
  5.2 基于查找表的大气绘制  58-60
  5.3 大气绘制的光线追踪改造  60-61
  5.4 本章小结  61-62
第六章软件设计与实现  62-75
  6.1 功能模块划分  62-63
  6.2 系统设计与流程  63-65
  6.3 软件实现与效果分析  65-74
  6.4 本章小结  74-75
第七章总结及展望  75-77
  7.1 全文工作总结  75
  7.2 后续工作展望  75-77
参考文献  77-80
在读期间发表的学术论文  80-81
致谢  81-82

光线追踪在空间目标与地球场景渲染中的研究与实现

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