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基于HDR的实时光照技术研究

作　者: 秦家水
导　师: 刘金瑄
学　校: 西安科技大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 实时光照 HDR 色调映射 光照模型
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 124次
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内容摘要


随着三维图形技术在各行业迅速发展与普及,实时性已成为三维图形应用的一个重要指标,而光照的模拟是实时图形系统的核心。真实的光照效果能够增强虚拟现实、实时仿真等实时图形系统的用户体验,所以研究实时光照具有重要的理论和实践意义。实时光照的主要难点是光照模拟的真实性和实时性。为了提高真实性和实时性,本文采用两种方法来达到该目的。一是采用高动态范围(High Dynamic Range, HDR)技术,把虚拟场景中的RGB值转化为高动态范围的光强值,色调映射高动态范围的光强值到低动态范围的设备上进行显示。二是建立实时的光照模型来模拟光照效果和采用图形处理器(Graphic Processing Unit, GPU)来提高了计算机图形处理的速度。首先分析与研究了色调映射中的全局色调映射算法和局部色调映射算法。对高动态范围图像进行先全局色调映射后局部色调映射,得到了一种多分辨率与全局相结合的算法。该算法的复杂度较低,映射效果能够较好的满足要求。其次研究了全局光照模型、局部光照模型和多光源光照模型。在实时多光源场景真实感渲染下,传统光照模型的光照计算复杂度高,而延迟光照把几何计算和光照计算分开,降低了光照计算复杂度和计算量,因此Phong光强计算的延迟光照模型是最适合多光源实时光照计算的模型。最后,由于HDR技术能够增强场景的光照效果,使场景表现的更加真实和细节表现更加丰富,所以结合HDR技术和延迟光照模型,编写相应的运行于GPU的着色器程序,实现了基于HDR的延迟光照算法。实验表明该算法能够满足实时性,具有更逼真的光照效果,达到预期目的。

全文目录


摘要  2-3
ABSTRACT  3-7
1 绪论  7-13
  1.1 研究背景  7-8
  1.2 研究的目的与意义  8-9
  1.3 国内外研究现状  9-11
  1.4 论文的主要研究内容  11
  1.5 论文的章节安排  11-13
2 技术背景  13-23
  2.1 标准三维接口  13-15
  2.2 GPU 编程  15-22
    2.2.1 GPU 的发展  16-17
    2.2.2 图形绘制管线  17-21
    2.2.3 着色  21-22
  2.3 本章小结  22-23
3 色调映射  23-36
  3.1 高动态范围  23-26
    3.1.1 HDR 的概述  23-24
    3.1.2 HDR 图像的获取  24-25
    3.1.3 HDR 的显示  25-26
  3.2 全局色调映射算法  26-27
    3.2.1 对数方程的色调映射算法  26-27
    3.2.2 直方图均衡化的色调映射算法  27
  3.3 局部色调映射算法  27-30
    3.3.1 分层的色调映射算法  28
    3.3.2 梯度域的色调映射算法  28-30
  3.4 多分辨率与全局结合的色调映射算法  30-33
    3.4.1 动态范围压缩  30-31
    3.4.2 伽马修正  31
    3.4.3 高斯模糊  31-33
  3.5 实验结果与分析  33-35
  3.6 本章小结  35-36
4 光照计算  36-55
  4.1 RGB 颜色系统  36-37
  4.2 光源  37-39
  4.3 全局光照  39-43
    4.3.1 辐射度算法  39-41
    4.3.2 光线跟踪算法  41-43
  4.4 局部光照  43-47
    4.4.1 局部反射模型  43-45
    4.4.2 明暗插值处理  45-47
  4.5 多光源光照  47-51
    4.5.1 多光源光照算法  47-48
    4.5.2 延迟光照  48-49
    4.5.3 延迟光强计算  49-51
  4.6 阴影  51-52
  4.7 实验结果与分析  52-54
  4.8 本章小结  54-55
5 基于HDR 的延迟光照实现与分析  55-66
  5.1 实验平台  55-56
    5.1.1 实验软件平台  55
    5.1.2 实验硬件平台  55-56
  5.2 实验过程  56-63
    5.2.1 实验的结构  56-59
    5.2.2 光照的实现  59-62
    5.2.3 HDR 的实现  62-63
  5.3 实验结果与分析  63-65
  5.4 本章小结  65-66
6 结论  66-68
  6.1 结论  66
  6.2 展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-72
附录  72

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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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