可變材質(zhì)的交互級(jí)全局光照明繪制算法的研究.pdf

1、本文研究了可變材質(zhì)的交互級(jí)全局光照明繪制算法。可變材質(zhì)指用戶(hù)可以通過(guò)交互改變繪制場(chǎng)景中物體的材質(zhì)。固定材質(zhì)的實(shí)時(shí)全局光照明繪制可以采用預(yù)計(jì)算輻射傳輸(PRT)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，可變材質(zhì)的交互級(jí)全局光照明繪制卻是近年來(lái)剛剛涉及的課題。在本文中提出的可變材質(zhì)交互級(jí)全局光照明繪制算法，能在用戶(hù)改變物體材質(zhì)的同時(shí)，交互級(jí)繪制全局光照明效果。 本文提出的繪制算法針對(duì)兩種繪制場(chǎng)景：第一種，物體幾何不變，采用雙向反射分布函數(shù)(BRDFs)來(lái)

2、表示物體的反射材質(zhì)，不包含散射、折射和透射等其它材質(zhì)類(lèi)型。第二種，物體幾何可以被用戶(hù)改變，并且只采用折射和散射這兩種材質(zhì)。 針對(duì)第一種繪制場(chǎng)景，我們算法中的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，是根據(jù)不同的傳播光路將輻射傳輸進(jìn)行分離。用于固定材質(zhì)的PRT方法，根據(jù)繪制效果和光照的線(xiàn)性關(guān)系實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)光照下的繪制效果的實(shí)時(shí)更新。但是繪制效果和材質(zhì)之間不存在這樣的線(xiàn)性關(guān)系，所以PRT不能支持可變材質(zhì)的交互級(jí)全局光照明繪制。雖然最終到達(dá)視點(diǎn)的總的輻射亮度和材質(zhì)不

3、存在線(xiàn)性關(guān)系，但是每一條傳播路徑的輻射傳輸和經(jīng)過(guò)的反射物體的材質(zhì)的乘積成正比。所以，采用我們的方法將輻射傳輸根據(jù)不同的傳播光路分離為多個(gè)部分，就能夠?qū)⑦@個(gè)非線(xiàn)性的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列線(xiàn)性問(wèn)題的加和。我們需要對(duì)每一部分的輻射傳輸分別進(jìn)行預(yù)計(jì)算，而不是像PRT中將所有光路的輻射傳輸一起進(jìn)行預(yù)計(jì)算，從而就第一次實(shí)現(xiàn)了基于像素的可變材質(zhì)的實(shí)時(shí)全局光照明繪制。我們的算法不但支持空間靜態(tài)可變材質(zhì)的實(shí)時(shí)全局光照明繪制，而且支持空間動(dòng)態(tài)可變材質(zhì)的交互級(jí)全局

4、光照明繪制。也就是說(shuō)，用戶(hù)不但可以對(duì)一個(gè)物體的材質(zhì)作整體修改，而且還可以對(duì)一個(gè)物體不同部分的材質(zhì)作不同的修改。 我們還提出了基于頂點(diǎn)的空間靜態(tài)可變材質(zhì)的交互級(jí)全局光照明繪制算法。該算法第一次允許用戶(hù)同時(shí)改變材質(zhì)、環(huán)境光照和視點(diǎn)，并且在環(huán)境光照不變的時(shí)候達(dá)到實(shí)時(shí)的繪制性能。算法主要包含三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：光路切分，預(yù)計(jì)算傳輸張量，針對(duì)BRDF的鏡面項(xiàng)分離和張量分解。通過(guò)光路切分，我們有效減小了輻射傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。預(yù)計(jì)算傳輸張量用于輻射傳輸?shù)?/p>

5、表示、預(yù)計(jì)算、存儲(chǔ)和繪制。針對(duì)BRDF的鏡面項(xiàng)分離和張量分解實(shí)現(xiàn)了在動(dòng)態(tài)局部入射輻射亮度、可變材質(zhì)、動(dòng)態(tài)視點(diǎn)條件下的物體表面的快速著色。 針對(duì)第二種繪制場(chǎng)景，我們最主要的貢獻(xiàn)是提出了一個(gè)完整的繪制算法流水線(xiàn)，第一次實(shí)現(xiàn)了可變折射和散射材質(zhì)的交互級(jí)全局光照明繪制。目前大多數(shù)的相關(guān)的繪制算法都是離線(xiàn)算法，而實(shí)時(shí)和交互級(jí)的繪制算法，都不能兼顧折射和散射這兩種材質(zhì)所涉及的所有繪制效果。我們的繪制算法流水線(xiàn)的輸入是場(chǎng)景中的物體幾何、材質(zhì)、

6、光照條件和視點(diǎn)等參數(shù)，所以，用戶(hù)可以在繪制過(guò)程中任意地交互修改這些參數(shù)。整個(gè)繪制算法流水線(xiàn)運(yùn)行在圖形處理單元(GPU)上，并且能夠達(dá)到交互級(jí)的繪制性能。在我們的繪制算法流水線(xiàn)中，有兩個(gè)環(huán)節(jié)非常重要，也是我們算法中最主要的兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：幾何物體的快速體素化和自適應(yīng)的非線(xiàn)性光子貼圖算法。前者能夠允許用戶(hù)交互改變物體的幾何；后者是達(dá)到交互級(jí)的繪制性能的保證。 本文中的繪制算法有很廣泛的應(yīng)用前景，比如游戲、輔助設(shè)計(jì)等。其中針對(duì)可變折射和散