基于CUDA海量空间数据实时体绘制研究

针对海量空间科学数据的精细及实时三维绘制需求,提出并实现了一种基于CUDA语言的并行化光线投射体绘制加速算法,利用传统体绘制算法中光线投射法的可并行特点和GPU中高速的纹理查询的优点,通过一个实际坐标到纹理坐标的转换函数实现了对不规则采样数据的准确采样,并完成了绘制算法的CUDA并行化改造,通过CUDA语言利用GPU强大的并行计算能力实现了对海量空间数据的实时三维光线投射绘制.     

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的快速色阶映射算子实现

为了提高色阶映射计算的效率,设计了基于GPU的快速色阶映射算法.首先结合基本规约算法和GPU的并行运算特征设计了基于两个核函数的最大亮度计算方法,然后通过区域中间值共享计算以像素为中心的区域平均亮度,最后针对视屏处理,提出利用纹理缓存池解决CPU读数据和GPU处理数据速度不匹配的问题,并根据像素子集最大亮度自适应地更新全局最大亮度.实验结果相对相同算法的CPU实现得到了4～5倍的速度提升,表明所提出的算法能够充分利用GPU的并行性,并减少了大量重复运算,满足实时渲染的要求,并且对不同规模的纹理具有良好的适应性.     

基于线性变换球面分布的实时间接光泽反射

目的 在实时渲染领域中,立即辐射度算法是用于实时模拟间接光泽反射效果的算法之一。基于立即辐射度的GGX SLC(stochastic light culling)算法中使用符合真实物理定律的GGX BRDF(bidirectional reflectance distribution function)光照模型计算间接光泽反射,计算复杂度很高,并且其计算开销会随着虚拟点光源的数量呈明显的线性增长。为解决上述问题,提出一种更高效的实时间接光泽反射渲染算法。方法 基于数学方法中的线性变换球面分布,将计算复杂度很高的GGX BRDF球面分布近似为一种计算复杂度较低的球面分布,并基于该球面分布提出了在单点光源以及多点光源环境下的基于物理的快速光照模型。该光照模型相比GGX BRDF光照模型具有更低的计算开销。然后基于该光照模型,提出实时间接光泽反射渲染算法,计算虚拟点光源对着色点的辐射强度,结合多点光源光照模型对着色点着色,高效地渲染间接光泽反射效果。结果 实验结果表明,改进后的实时间接光泽反射算法能够以更高的渲染效率实现与GGX SLC算法相似的渲染效果,渲染效率提升了20%～40%,并且场...     

利用形状因子采样的实时全局光照绘制

为了对物体表面材质进行实时编辑,提出一种动态光照和任意视点条件下的实时全局光照算法.该算法预计算各面片的形状因子,并存储其中较大的形状因子值和相应的面片号,这些面片是光照贡献最大的面片.一次间接光照利用这些面片计算,并用亮度补偿策略增加计算精度,而二次及多次间接光照则用近似公式估算,整个光照计算过程在GPU中完成.实验结果表明,文中算法在视点改变、光照改变和材质改变情况下,对静态场景能获得逼真的实时全局光照绘制效果.     

一种改进的基于CUDA的纹理映射和光线投射结合的体绘制算法

针对传统的基于GPU的光线投射算法绘制效率较低的问题,利用CUDA架构的并行计算特性和对三维纹理的处理能力进行改进和优化.将体数据映射为三维纹理,利用CUDA三维数组进行存储与绑定,纹理拾取的浮点返回值利用线性滤波进行平滑.在传输函数的设计中引入中心差分梯度幅值增强对体数据边界面的绘制效果.每条光线的求交及颜色积累采用并行计算,按照由前向后进行颜色及不透明度累积.设置不透明度阈值,采用不透明度提前终止加速绘制.实验结果表明,绘制速度较传统的基于GPU算法有10％的速度提升,绘制效果也有很大的改善.     

基于预计算辐射传递的全局光照技术

为了在大规模场景中渲染出高效率和高真实感的全局光照效果,以图形处理器（GPU）渲染管线流程为可编程基础,利用球面和谐函数进行解码,并且在预计算过程中通过使用小波重建高频部分的信号,来解决预计算辐射传递(PRT)计算过程中丢失掉的高频信号,以免丢失细节变化。在实时渲染全局光照过程中,利用大规模场景的可见性信息进行自适应的细分,使得绘制效率提高。实验结果表明该方法在仿真系统下能够高效真实地渲染出全局光照效果,有较高的绘制效率和真实感。     

GPU适用的并行纹理合成算法

基于样图的纹理合成是一个大计算量过程,为了利用GPU的并行计算能力进行大规模纹理合成,我们提出一种并行纹理合成算法.该算法综合块查找和全局纹理优化算法分多遍进行纹理的合成和优化,其中每一遍分为串行纹理块定位和并行最优块匹配2个阶段.纹理块定位阶段在CPU端按照扫描线顺序确定待合成的邻域,并将邻域位置传入GPU;最优块匹配阶段在GPU端并行计算待合成邻域与对应样本邻域的全局距离,并查找出最优解得到匹配块.最后根据匹配过程统计数据自适应调整优化规模,在全局范围内对纹理进行迭代优化.实验结果表明,文中算法在保证大规模纹理合成效果的基础上减少了计算时间,能够满足交互式纹理合成的应用.     

带材质的GPU加速体绘制算法

在体绘制过程中,为了给物质表面加入材质(光照和纹理)来提高结果的可读性,提出一种带材质的体绘制算法.通过引入2D球面光照贴图,用纹理映射替代了GPU中复杂的光照模型计算;利用物质表面单位法向量索引球面光照贴图中对应点的颜色信息,从而给物体表面赋予各种材质属性;并结合基于3D纹理的GPU光线投射算法完成绘制.实验结果表明,该算法简单易行,在增强可视化效果的同时使得绘制的效率也得到提升.     

基于CUDA的弱可压SPH流体建模与仿真

为了实现小尺度范围流体场景的实时、真实感模拟,采用弱可压SPH方法对水体进行建模,提出了流体计算的CPU GPU混合架构计算方法。针对邻域粒子查找算法影响流体计算效率的问题,采用三维空间网格对整个模拟区域进行均匀网格划分,利用并行前缀求和和并行计数排序实现邻域粒子的查找。最后,采用基于CUDA并行加速的Marching Cubes算法实现流体表面提取,利用环境贴图表现流体的反射和折射效果,实现流体表面着色。实验结果表明,所提出的流体建模和模拟算法能实现小尺度范围流体的实时计算和渲染,绘制出水的波动、翻卷和木块在水中晃动的动态效果,当粒子数达到1 048 576个时,GPU并行计算方法相较CPU方法的加速比为60.7。     

空间动态可变材质的交互式全局光照明绘制

提出了一种空间动态可变材质的交互式全局光照明绘制算法.如果在绘制过程中允许用户对物体的材质作修改,并且对一个物体的不同部分的材质作不同的修改,则称为空间动态可变材质.由于最终出射的辐射亮度和材质呈非线性关系,因此现有许多交互式全局光照明算法不允许用户修改物体的材质.如果一个物体各部分的材质可以不相同,那么材质对最终的出射的辐射亮度的影响更为复杂,目前没有任何交互式全局光照明绘制算法能够在绘制过程中对一个物体不同部分的材质作不同的修改.将一个空间动态可变材质区域划分成许多子区域来近似模拟,每个子区域内部材质处处相同.光在场景传播过程中可能先后被不同的子区域反射,并以此将最终出射的辐射亮度分为许多部分.用一组基材质来线性表示所有的材质,这组基材质被赋予场景中的所有子区域,从而得到不同的基材质的分布.预计算所有这些基材质分布下的各部分最终出射的辐射亮度.绘制时根据各子区域材质在基材质上的系数组合相应的预计算数据,就能交互式绘制全局光照明效果.     

基于级联体素纹理的VCT全局光照算法

针对大规模场景的全局光照渲染往往因为计算量过大而无法满足实时性要求的问题进行了研究,提出一种高性能的体素圆锥追踪（VCT）全局光照算法。算法包括：a）在体素化阶段,提出一种新型的场景光照信息表示级联体素纹理结构,该结构极大地减少了存储场景的内存消耗而且具有各向异性,在处理大规模场景时具有速度快、质量高的优势;b）在光照计算阶段,基于级联体素纹理结构提出一种改进的圆锥追踪滤波器,能够提高光照注入和反射光计算的效率;c）改进场景的体素化更新策略进一步提高了算法的运行时帧率。实验证明,本算法在降低内存占用空间和提高速度方面均远优于原VCT算法,满足了大规模场景中全局光照计算的实时性要求。     

Noiseless GPU rendering of isotropic BRDF surfaces

Illumination at a surface point is formulated as an integral of a BRDF using the incident radiance over the hemisphere domain. A popular method to compute the integral is Monte Carlo integration, in which the surface illumination is computed as the sum of the integrand evaluated with stochastically sampled rays. Although its simple nature is practically attractive, it incurs the serious drawback of noise artifacts due to estimator variance. In this paper, we propose a novel noiseless Monte Carlo rendering algorithm running in real time on a GPU. The main contribution is a novel importance sampling scheme, which constructs spatially continuous sample rays over a surface. For each evenly spaced polar angle of the eye ray, denoted by θ, incident rays are sampled with a PDF (probability density function) derived from a target BRDF lobe. We develop a force-based update method to create a sequence of consistent ray sets along θ’s. Finally, corresponding rays in the sequence of ray sets are linearly connected to form a continuous ray curve, referred to as a sample thread. When rendering, illumination at a surface point is computed with rays, each of which is given as a point on a sample thread. Because a thread provides a sample ray that continuously varies on a surface, the random variance of the illumination, causing visual noise during the Monte Carlo rendering process, is eliminated. A thread set is precomputed for each BRDF to free the GPU from the burden of sampling during real-time rendering. According to extensive experiments, approximately 100 threads are sufficient for most measured BRDFs with acceptable rendering quality for interactive applications.     

Interactive Glossy Reflections using GPU‐based Ray Tracing with Adaptive LOD

We present an interactive GPU‐based algorithm for accurately rendering high‐quality, dynamic glossy reflection effects from both HDR environment maps and local scene objects. Our method uses hardware rasterization to produce primary pixels, and GPU‐based BRDF importance sampling [ [CK07] ] to quickly generate reflected rays. We utilize a fast GPU ray tracer proposed by Carr et al. [ [CHCH06] ] to compute reflection hits. Our main contribution is an adaptive level‐of‐detail (LOD) control algorithm that greatly improves ray tracing performance during reflection shading. Specifically, we use the solid angle represented by each reflected ray to adaptively pick the level of termination in the BVH traversal step during ray tracing. This leads to 2 ～ 3x speedup over an unmodified implementation of [ [CHCH06] ]. Based on the same solid angle measure, we derive a texture filtering formula to reduce reflection aliasing artifacts, taking advantage of hardware MIP mapping. This extends the filtering algorithm presented in [ [CK07] ] from environment mapping to local scene reflection. Using our algorithm, we demonstrate interactive rendering rates for several scenes featuring dynamic lighting and material changes, spatially varying BRDF parameters, and rigid‐body object movement.     

Spherical piecewise constant basis functions for all-frequency precomputed radiance transfer

This paper presents a novel basis function, called spherical piecewise constant basis function (SPCBF), for precomputed radiance transfer. SPCBFs have several desirable properties: rotatability, ability to represent all-frequency signals, and support for efficient multiple product. By smartly partitioning the illumination sphere into a set of subregions, and associating each subregion with an SPCBF valued 1 inside the region and 0 elsewhere, we precompute the light coefficients using the resulting SPCBFs. Efficient rotation of the light representation in SPCBFs is achieved by rotating the domain of SPCBFs. We run-time approximate the BRDF and visibility coefficients using the set of SPCBFs for light, possibly rotated, through fast lookup of summed-area-table (SAT) and visibility distance table (VDT), respectively. SPCBFs enable new effects such as object rotation in all-frequency rendering of dynamic scenes and on-the-fly BRDF editing under rotating environment lighting. With graphics hardware acceleration, our method achieves real-time frame rates.     

A PCA Decomposition for Real‐time BRDF Editing and Relighting with Global Illumination

We propose a novel rendering method which supports interactive BRDF editing as well as relighting on a 3D scene. For interactive BRDF editing, we linearize an analytic BRDF model with basis BRDFs obtained from a principal component analysis. For each basis BRDF, the radiance transfer is precomputed and stored in vector form. In rendering time, illumination of a point is computed by multiplying the radiance transfer vectors of the basis BRDFs by the incoming radiance from gather samples and then linearly combining the results weighted by user‐controlled parameters. To improve the level of accuracy, a set of sub‐area samples associated with a gather sample refines the glossy reflection of the geometric details without increasing the precomputation time. We demonstrate this program with a number of examples to verify the real‐time performance of relighting and BRDF editing on 3D scenes with complex lighting and geometry.