基于Renderman規(guī)范的體渲染建模與實(shí)現(xiàn).pdf

1、近年來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)與影視動(dòng)漫事業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了真實(shí)感渲染技術(shù)的迅猛發(fā)展，照片級(jí)真實(shí)感的渲染圖像應(yīng)用于動(dòng)漫、電影制作，為觀眾提供了震撼的視覺(jué)效果、為游戲玩家提供了身臨其境的真實(shí)感，使得真實(shí)感渲染技術(shù)在影視特效、模擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面有著越來(lái)越廣泛和重要的作用。
　　材質(zhì)在真實(shí)感渲染中有著重要的作用。VRay、mental ray等當(dāng)今主流的商業(yè)渲染器都有自己的材質(zhì)系統(tǒng)，它們的渲染技術(shù)也日趨成熟，尤其是實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較低的基本材質(zhì)

2、，比如玻璃、巖石、塑料等硬質(zhì)材料。除了這些基本的低難度硬質(zhì)材料，還有一些材質(zhì)的渲染方法與基本材質(zhì)截然不同，它們用于模擬特殊的大氣形態(tài)和環(huán)境特效，這就是參與介質(zhì)的渲染技術(shù)，即體渲染技術(shù)。
　　參與介質(zhì)是指存在于一定空間中，因充滿比較大的顆粒而對(duì)光線產(chǎn)生不可忽略影響的介質(zhì)，比如煙、霧、火、云等。參與介質(zhì)的渲染則相應(yīng)稱(chēng)為體渲染。光穿越參與介質(zhì)內(nèi)部受到的影響有三類(lèi):吸收、自發(fā)光、散射，有一部分光線被介質(zhì)吸收，使得強(qiáng)度減弱;一部分光線因碰撞

3、而被改變方向，散射到四面八方;而自發(fā)光的介質(zhì)則增加光線的強(qiáng)度。硬質(zhì)材料的渲染只需計(jì)算材質(zhì)表面特征，而參與介質(zhì)充滿了整個(gè)體空間，其渲染實(shí)現(xiàn)需要對(duì)整個(gè)體空間進(jìn)行積分計(jì)算。
　　參與介質(zhì)內(nèi)部的散射錯(cuò)綜復(fù)雜，每個(gè)介質(zhì)顆粒都有散射的可能，不可能像硬質(zhì)材料的表面計(jì)算那樣去追蹤每一條光線，否則計(jì)算量將非常龐大，在常規(guī)的體渲染中我們往往忽略這種復(fù)雜的多次散射，事實(shí)證明，在多數(shù)體渲染中，多次散射的效果并不是非常明顯，只是在某些場(chǎng)景下效果比較突出。忽

4、略了多次散射的體渲染即單次散射光照模型下的體渲染，是本文的重點(diǎn)，其核心技術(shù)是Raymarching方法。該方法用離散的方式近似實(shí)現(xiàn)了體空間內(nèi)部的積分。而對(duì)于多次散射模型下的渲染，本文研究并給出了一種可行的實(shí)時(shí)渲染方法——Multiple forward scattering，這一過(guò)程用到相位函數(shù)(Phase function)，相位函數(shù)是體渲染的散射函數(shù)，相當(dāng)于反射中的BRDF模型。
　　本文采用3D貼圖產(chǎn)生體渲染的噪波——體紋理

5、，來(lái)模擬參與介質(zhì)內(nèi)部密度分布不均勻的特性。2D貼圖利用UV坐標(biāo)將紋理貼于幾何體表面，而3D紋理充滿整個(gè)體空間，利用物體本身的坐標(biāo)系統(tǒng)，所以3D紋理必需采用程序紋理，即利用程序過(guò)程產(chǎn)生體紋理，其優(yōu)點(diǎn)是占用內(nèi)存空間小、不會(huì)產(chǎn)生噪點(diǎn)。3D紋理可以作用于體渲染的顏色、自發(fā)光、濃度等通道，從各個(gè)維度對(duì)體渲染產(chǎn)生多樣的變化。
　　本文以3ds Max的“環(huán)境與效果”模塊為主要突破口，建立了包括四種環(huán)境霧在內(nèi)的體渲染系統(tǒng)，從濃度變化均勻的快速霧