二次曲面反射和折射场景的快速光线跟踪

镜面反射和折射场景的真实感图形绘制一直是计算机图形学领域具有挑战性的研究课题之一.虽然传统的光线跟踪算法可以绘制出逼真的效果,但是计算量大、耗时长.为了快速地进行真实感图形的绘制,基于光学映射虚对象的概念,提出了一种基于二次曲面(球体、圆柱体等)反射折射场景的快速绘制技术,并给出了求解二次曲面物体反射和折射虚物体的计算公式,由于该技术可利用图形硬件像绘制实际物体一样绘制这些虚物体,从而可实现基于图形硬件加速的快速光线跟踪.实验证明,这种方法可以在普通图形加速卡上实现镜面反射和折射现象的快速绘制,从而极大地提高了真实感图形绘制的速度,特别适用于建筑物漫游、动画和虚拟现实等要求快速绘制的领域.     

非线性折射和反射平面场景的实时光线跟踪

该文利用光学映射虚对象的概念，提出了实时计算平面折射虚物体的新方法，给出了在不同情况下实时计算平面折射虚顶点的计算公式，实现了基于三维图形硬件（加速卡）加速的实时光线跟踪算法。该算法能够处理非线性平面折射和反射问题，极大地提高了真实感图形绘制和显示的速度。这对于建筑物实时漫游、实时动画和虚拟现实等领域具有非常广阔的应用前景。     

基于图象空间判据的地表模型加速绘制技术

在利用图形绘制实现虚拟现实的研究工作中，为了加速图形生成以保证实时的图形绘制，物体层次细节模型LoD(level of detail)的选择是其最主要的解决办法.其主要原理是根据物体对于观察者的重要性选择该物体绘制的细节.地表模型作为多边形网格模型的一种特殊几何模型，在各种虚拟现实系统中有着重要而广泛的应用.该文通过对地表模型实时生成特殊性要求的分析，提出具有焦点加权因子的基于图象空间误差的、适用于地表模型特殊性的、有效的加速简化方法.以焦点和显示面积的有效结合作为物体重要性评价尺度，有效地简化了地表模型的绘制.同时，算法结合均匀网格模型的多分辨率细节层次模型，以“块”作为地表模型大面积简化的空间单位，加速地表模型的简化操作，以实现较为复杂的地表模型的实时绘制.     

基于图象绘制的虚拟现实系统环境

虚拟现实的一个重要目标是使用计算机生成逼真的视觉世界,使用户可以对虚拟世界的客体进行交互式考察．虚拟现实的实现有两种方法．传统上,用三维图形学的方法实行建模和绘制．此方法需要繁琐的建模和昂贵的专用绘制硬件,而且图形绘制的质量和场景的复杂性受到很大的限制．基于图象的绘制是实现虚拟现实系统的一种新方法．它克服了三维图形方法的缺点．本文在总结已有技术的基础上,提出一个实现基于图象绘制的虚拟现实系统模型,并据此模型实现一个实验系统及相应的图象工具．     

基于GPU的实时深度图像前向映射绘制算法

提出一种完全基于GPU(graphics processing unit)的实时深度图像绘制流程.该方法利用GPU的并行计算特性对深度图像的绘制过程进行加速.推导出一种在vertex shader上进行的三维前向映射方法,对输入像素进行前向映射,以得到更高的绘制性能,并利用图形硬件流水线的光栅化功能高效地进行图像的插值重构,以得到连续无洞的结果图像.在pixel shader上进行逐像素的光照计算,生成高品质的光照效果.实验表明,该方法可以高速地进行满屏绘制,准确地保留物体轮廓信息和正确的遮挡关系.还实现了基于该方法的实时漫游系统.该系统能够实时地绘制多个基于柱面深度图像表示的对象,并能对其进行视相关的动态LOD(level of detail)操作.     

可变材质的实时全局光照明绘制

现有的基于预计算的全局光照明绘制算法都假设场景中物体的材质固定不变,这样,从入射光照到出射的辐射亮度之间的传输变换就是线性变换.通过对这种线性变换的预计算,可以在动态光源下实现全局光照明的实时绘制.但是,当材质可以改变时,这种线性变换不再成立,因此,现有算法无法直接用于动态材质的场景.提出了一种方法:在修改场景中的物体材质时,可以实时得到场景在直接光照和间接光照下的绘制效果.将最终到达视点的辐射亮度根据其之前经过的反射次数及相应的反射材质分为多个部分,每个部分和先后反射的材质的乘积成正比,从而把该非线性问题转化为线性问题.又将所有可选的材质都表示为一组基的线性组合.将这组基作为材质赋予场景中的物体,就有各种不同的组合方式,预计算每种组合下所有部分的出射辐射亮度.在绘制时,根据各物体材质投影到基上的系数线性组合预计算的数据就能实时得到最终的全局光照明的绘制结果.该方法适用于几何场景、光照和视点都不发生变化的场景.使用双向反射分布函数来表示物体的材质,不考虑折射或者半透明的情况.该实现最多包含两次反射,并可以实时绘制得到一些很有趣的全局光照明效果,比如渗色、焦散等等.     

基于GPU的大规模海浪实时绘制

海浪建模与绘制是近二十年来计算机图形学领域的一个经典问题,同时,随着硬件的发展,尤其是图形处理器(GPU)以大大超过摩尔定律的速度高速发展和其高速计算能力、并行性、其可编程功能,使得基于GPU的通用计算成为一个新研究热点.利用GPU的高速计算能力和可编程功能,解决海浪模拟中的复杂计算问题,提出一种基于图形硬件的大规模海浪实时绘制方法.首先,对图形处理器进行了概述.然后,基于Gerstner-Rankine模型生成海洋高度场,采用屏幕细分自适应算法对数字地球上的可视海洋表面进行采样,利用图形处理单元的可编程特性进行顶点和颜色计算,模拟实时球面海浪效果.实验结果表明,基于GPU的方法可以在普通PC图形硬件上实现大规模海浪的交互漫游.     

基于图象绘制的虚拟实现系统环境

虚拟实现的一个重要目标是使用计算机生成逼真的视觉世界，使用户可以对虚拟世界的客体进行交互考察，虚拟实现的实现有两种方法，传统上，用三信图形学的方法实现建模和绘制。此方法需要繁琐的建查和昂贵的专用绘制硬件，而且图形绘制的质量的场景的复杂性受到很大的限制。基于图象的绘制是实现虚拟实现系统的一种新方法。它克服了三维图形方法的缺点。本文在总结已有技术的基础上，提出一个实现基于图象绘制的虚拟现实系统模型，并     

基于GPU的球面深度图实时绘制

提出了一种GPU加速的实时基于图像的绘制算法.该算法利用极坐标系生成对物体全方位均匀采样的球面深度图像;然后根据推导的两个预变换公式将单幅球面深度图像预变换到物体包围球的一个与视点相关的切平面上,以生成中间图像;再利用纹理映射生成最终目标图像.利用现代图形硬件的可编程性和并行性,将预变换移植到Vertex Shader来加快绘制速度;利用硬件的光栅化功能来完成图像的插值,以得到连续无洞的结果图像.此外,还在Pixel Shader上进行逐像素的光照以及环境映射的计算,生成高质量的光照效果.最终,文章解决了算法的视点受限问题,并设计了一种动态LOD(Level of Details)算法,实现了一个实时漫游系统,保持了物体间正确的遮挡关系.     

包含反射、折射和焦散效果的全局光照快速绘制方法

基于分治的思想,提出一种能够交互绘制直接光照、间接光照、反射、折射、焦散等多种效果的全局光照近似计算方法.该方法采用粗粒度的体结构来模拟低频间接光照,利用细粒度的图像对场景进行采样,计算反射、折射和焦散效果;将粗粒度的体采样和细粒度的图像方法相结合,提出了包含多次递归反射、折射的延缓收集缓冲区构建方法、基于体素的双向光照收集方法以及多分辨率自适应光照收集方法.与光子映射方法相比,文中方法更快,针对完全动态的场景绘制速度在10～30帧/s之间;与其他加速单一效果的方法相比,该方法不但可以快速准确地计算间接光照,而且包含了多种镜面效果,绘制效果逼真,显著增强了真实感.     

Reflection and Refraction on Implicit Surfaces

Implicit surfaces are often used in computer graphics. They can be easily modeled and rendered, and many objects are composed of them in our daily life. In this paper, based on the concept of virtual objects, a novel method of real-time rendering is presented for reflection and refraction on implicit surface. The method is used to construct virtual objects from real objects quickly, and then render the virtual objects as if they were real objects except for one more step of merging their images with the real objects＇ images. Characteristics of implicit surfaces are used to compute virtual objects effectively and quickly. GPUs （Graphics Processing Units） are used to compute virtual vertices quickly and further accelerate the computing and rendering processes. As a result, realistic effects of reflections and refractions on implicit surfaces are rendered in real time.     

Interactive approximate rendering of reflections, refractions, and caustics

Reflections, refractions, and caustics are very important for rendering global illumination images. Although many methods can be applied to generate these effects, the rendering performance is not satisfactory for interactive applications. In this paper, complex ray-object intersections are simplified so that the intersections can be computed on a GPU, and an iterative computing scheme based on the depth buffers is used for correcting the approximate results caused by the simplification. As a result, reflections and refractions of environment maps and nearby geometry can be rendered on a GPU interactively without preprocessing. We can even achieve interactive recursive reflections and refractions by using an object-impostor technique. Moreover, caustic effects caused by reflections and refractions can be rendered by placing the eye at the light. Rendered results prove that our method is sufficiently efficient to render plausible images interactively for many interactive applications     

Interactive Depth-of-Field Rendering with Secondary Rays

This paper presents an efficient method to trace secondary rays in depth-of-field (DOF) rendering, which significantly enhances realism. Till now, the effects by secondary rays have been little addressed in real-time/interactive DOF rendering, because secondary rays have less coherence than primary rays, making them very difficult to handle. We propose novel measures to cluster secondary rays, and take a virtual viewpoint to construct a layered image-based representation for the objects that would be intersected by a cluster of secondary rays respectively. Therefore, we can exploit coherence of secondary rays in the clusters to speed up tracing secondary rays in DOF rendering. Results show that we can interactively achieve DOF rendering effects with reflections or refractions on a commodity graphics card.     

虚平面映射:深度图像内部视点的绘制技术

首先推导与归纳了图像三维变换中像素深度场的变换规律,同时提出了基于深度场和极线原则的像素可见性别方法,根据上述理论和方法,提出一种基于深度图像的建模与绘制(image-based modeling and rendering,简称IBMR)技术,称为虚平面映射.该技术可以基于图像空间内任意视点对场景进行绘制.绘制时,先在场景中根据视线建立若干虚拟平面,将源深度图像中的像素转换到虚平面上,然后通过对虚平面上像素的中间变换,将虚平面转换成平面纹理,再利用虚平面的相互拼接,将视点的成像以平面纹理映射的方式完成.新方法还能在深度图像内侧,基于当前视点快速获得该视点的全景图,从而实现视点的实时漫游.新方法视点运动空间大、存储需求小,且可以发挥图形硬件的纹理映射功能,并能表现物体表面的三维凹凸细节和成像视差效果,克服了此前类似算法的局限和不足.     

三维数据域可视化体绘制中的色彩合成新方法

在科学视算的研究中，目前各种直接绘制三维数据域的方法，都是运用合成算子线性递推地合成各个象素的色彩。本文提出一种新方法，将色彩合成由线性递推的纵向合成变为二维面（虚拟面）上简单的分布合成。新方法在合成色彩时省去了线性递推方法中所需的乘法运算。更有意义的是，当此方法与三维数据域体绘制的投影成象方法结合时，利用已形成的虚拟面，可以方便地生成大小不同的可视图，而不必重复进行投影操作。本文同时证明了，在一定精度内，放大了的图象反映了在相应精度下具有插值效果的可视信息。     

基于时空连贯性和几何简化技术的复杂场景快速消隐绘制算法

提出了一个结合层次遮挡图像缓存的快速消隐绘制算法,本算法首先利用空间连贯性对场景实行快速保守的消隐,对可能可见的近景、中景使用几何绘制,对可能可见的远景实现了基于图像和几何混合的加速绘制,实验表明,由于充分利用了空间连贯性和图像简化技术,本算法效果良好,可适合各种复杂度场景的快速绘制。     

An Image-Based Virtual Reality Prototype System

The most important goal of virtual reality is to create a virtual world computers where users are allowed to view the environment and control the virtual objects interactively.Traditionally,virtual reality systems use 3D computer graphics to model and render a virtual environment in real time.However,this approach usually requires laborious modeling and expensive special-purpose rendering hardware.Image-based rendering is a new approach in composing a virtual environment in which a set of panoramic images is used to compose the virtual environment and walking in the space is accomplished by “hopping”to different panoramic points.This paper introduces an experimental image-based VR system.The techniques utilized in the system,in particular the authoring and interactive control tools of the system,are described in detail.     

Time‐Warped Foveated Rendering for Virtual Reality Headsets

Rendering in real time for virtual reality headsets with high user immersion is challenging due to strict framerate constraints as well as due to a low tolerance for artefacts. Eye tracking‐based foveated rendering presents an opportunity to strongly increase performance without loss of perceived visual quality. To this end, we propose a novel foveated rendering method for virtual reality headsets with integrated eye tracking hardware. Our method comprises recycling pixels in the periphery by spatio‐temporally reprojecting them from previous frames. Artefacts and disocclusions caused by this reprojection are detected and re‐evaluated according to a confidence value that is determined by a newly introduced formalized perception‐based metric, referred to as confidence function. The foveal region, as well as areas with low confidence values, are redrawn efficiently, as the confidence value allows for the delicate regulation of hierarchical geometry and pixel culling. Hence, the average primitive processing and shading costs are lowered dramatically. Evaluated against regular rendering as well as established foveated rendering methods, our approach shows increased performance in both cases. Furthermore, our method is not restricted to static scenes and provides an acceleration structure for post‐processing passes.