基于物理的浑浊水体的光照模拟

水体的真实感光照模拟是计算机图形学中的重要研究内容.现有的研究偏重于清澈水体的光照模拟,无法直接用于浑浊水体,为此提出一种基于物理的浑浊水体的真实感光照模拟方法.首先基于物质对水体光学特性的影响对浑浊水体进行建模,并分别建立每一类物质的吸收和散射模型;然后根据光线在浑浊水体中的传播及其与不同物质颗粒的交互作用计算光能的衰减变化,并将其转换为RGB颜色系统进行真实感绘制.借助GPU强大的并行处理能力,该方法可以实现对不同浑浊水体的光照效果的实时绘制.     

基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染

基于光线追踪,将屏幕图像像素分解为投射光线与场景对象交点面片辐射亮度和 纹理贴图的合成,每个面片的辐射亮度计算基于双向反射分布函数(BRDF)基的线性组合,并通 过图形处理器(GPU)处理核心并行绘制进行加速,最后与并行计算的纹理映射结果进行合成。 提出了一种基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染算法,利用GPU 并行加速,在提 高绘制效率的前提下,实现动态交互材质的全局光照实时渲染。重点研究：对象表面对光线的 多次反射用BRDF 基的线性组合来表示,将非线性问题转换为线性问题,从而提高绘制效率; 利用GPU 并行加速,分别计算对象表面光辐射能量和纹理映射及其线性组合,进一步提高计算 效率满足实时绘制需求。     

基于概率模型的树木间接光照效果的实时模拟

太阳光照射到树冠上之后,会在叶片间进行相互的反射、折射,形成复杂的间接光照效果。在进行树木真实感绘制时,对这种间接光照的快速模拟是非常困难的。传统的光线跟踪、辐射度等算法均比较耗时,很难满足实时计算的要求。采用一种概率模型来快速估算树木叶片间的间接光照效果,实现了带间接光照效果的树木实时绘制。为树冠构建一个包围体,并假定该包围体中叶子的位置和法向基本符合均匀分布;为叶子的正反面分别定义反射系数和透射系数,并定义一个衰减函数来描述光线穿越叶子层后的衰减量;基于这种均匀概率分布的包围体模型,并利用叶片材质属性,就可以为每片叶子计算出叶子表面的出射光。对于中心在[P]处的叶子来说,可以快速计算出太阳光经过其邻近叶子到达该叶子表面的间接光照效果。为了进一步提高绘制效率,并未采用传统的包含大量面片的树木模型,而是采用了一种利用Billboards结构进行树木枝叶表达的简洁的树木三维模型。将上述概率模型与这种表达方式进行了有机结合,完成了带间接光照效果的树木实时真实感绘制。     

Phong明暗处理方法的探讨与改进

明暗处理是图形真实感处理的重要内容。物体明暗效果的模拟以光照模型为数学基础,通过不同算法模拟光照射在物体上的反射,透射等效果。文章以Phong局部光照模型为基础,分别用Gouraud方法和Phong方法实现了正方体单点光源光照模型,分析对比了两种方法的缺陷,在此基础上提出了P－G方法,成功模拟了多边形内部的高光并使光强度变化层次均匀。     

真实感3D重建中的纹理映射技术

精确的纹理映射是体现模型视觉真实感的关键因素。本文在阐述纹理映射技术原理的基础上,探讨了基于3维激光扫描设备进行3D重建过程中,实现具有高度真实感的纹理映射所遇到的实际问题,提出了基于纹理的模型重构和纹理光照连续性重建算法,解决了纹理图像空间不连续、光照不连续等因素对模型真实感的影响,并通过真实数据的实验对算法有效性进行了验证,为大型户外实体的真实感3D重建奠定了技术基础。     

基于Direct3D的虚拟场景光照技术研究

虚拟现实技术中真实感图形的生成,已经成为计算机图形学研究的重要内容之一,在虚拟场景中,合理使用光照技术能够增强物体的真实感。本文分析了在Direct3D程序中如何通过光照技术增加虚拟场景中物体的真实感,并通过实际代码研究了虚拟场景中光照技术的具体实现过程。     

基于分形理论的三维地形场景的真实感绘制

如何在PC机上进行三维地形场景的真实感绘制一直是一个挑战性课题。三维地形场景的真实感绘制追求的两个目标是绘制的逼真度和绘制的实时性,需要在不明显降低图像质量的条件下保持较高的交互帧速率。该文运用分形理论生成三维地形场景,为了满足实时性的要求,采用连续LOD算法和其它技术来加速地形绘制;为了满足逼真度的需求,采用纹理映射和光照映射。这种方法可以在普通微机上基于分形理论实现三维场景的真实感绘制,达到实时性和逼真度的要求。     

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.     

从单幅高动态范围图像恢复环境中物体的材质

提出一种从单幅高动态范围图像恢复一般环境中物体材质的方法,适用于单一材质物体,对物体形状和光照条件没有任何特殊要求.在一般光照环境中,获取被考察物体的一幅高动态范围图像以及用来近似物体光照的一个或几个高动态范围环境映照,然后用模拟退火算法求解逆向绘制问题.在求解过程中采用了基于图像的光照和光线跟踪技术,充分考虑了物体自身互反射的影响.最后得到了物体表面反射模型的最优参数.若与基于图像的建模技术相结合,可以根据真实物体的照片建立真实感模型.     

一种云场景的实时渲染方法

探讨了真实感云场景的模拟技术,设计了一种云场景的实时渲染方法。基于Perlin噪声建模生成云浓度图,并采用考虑浓度的Phong光照模型与单向散射光照模型,分别计算反射光和透射光,改善了传统方法无法真实反映不同角度太阳光照的问题,实现了不同时段动态云场景的绘制。通过引入基于GPU的Bumping纹理算法与Render-to-Texture技术,极大提高了云场景的渲染速度。实验结果进一步表明该方法能够同时满足真实感与实时性两个方面的要求。     

全局光照环境中的逆向绘制

提出一种恢复场景中所有物体的反射特性的方法.算法以一个全景图、场景的完整几何模型和光源信息为输入,结果是场景的一个完整反射模型.恢复是以逐步求精的方式进行的.先假定物体表面是漫反射面并生成一幅全景图,然后算法逐步迭代,比较绘制的全景图和原始全景图,如果有的物体的误差超过某个阈值,算法为他们选择更负责的反射模型.最后,场景中的每个物体有了一个合适的反射模型,可以在新的光照和视点条件下绘制,旧的物体可以从场景中移去,新的物体可以添加到场景中.对漫反射、各向同性反射和各向异性反射纹理面的纹理恢复也作了深入研究;高光和阴影的影响也能基本去除.     

基于图像与几何混合的纺织品真实感绘制

纺织品的真实感绘制是虚拟服装与试衣系统研究中的一项关键技术.采用图像图形结合的方法,提出了一种新的纺织品真实感绘制算法.对于场景中的实景,从原始照片中提取光照参数,将它与新纹理图相融合,利用色彩一致性理论和表面反射模型,达到类似于照片的展示效果.基于同样的理论研究,还可以模拟在纺织品的某些反射特性有所变化时的效果.对于原来场景中不存在的虚景,把用计算机生成的三维虚拟物体叠加到从真实世界获取的场景画面,应用实景提取的光照参数,并使用相应的光照模型对三维物体进行光照重计算.从而达到很好的虚实融合效果.     

变化光照目标图像合成的球调和方法

光照是真实感绘制技术中的一个关键因素。研究了朗伯反射的球调和表示，提出了一种基于球调和函数的任意光照目标图像生成方法。该方法在给定目标基图像及其对应光照属性的基础上，通过基图像数据矩阵的奇异值分解（SVD）分离场景环境光分量、反演计算场景反射率和表面法向量等。新光照条件下绘制图像时，采用四阶球调和函数拟合入射光和朗伯反射核计算直接光照；间接光照采用分离出的基图像环境光分量拟合。实验表明：该方法能够保证绘制精确度，适合复杂光照条件下的目标图像生成。     

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.     

基于Phong模型的三维地形光照场景仿真

地形是自然界中具有复杂特征的景物之一,三维真实感地形的仿真技术是计算机图形学的重要研究内容.光照模型的选取和实现是三维真实感地形仿真的重要步骤.良好的光照模型还应该能够实现对不同光照场景的模拟.Phong模型能够较好地描述光照信息的各个组成部分同时计算量相对较小.提出了基于Phong模型的光照处理技术,通过调整角度值和光照参数可以在三维地形的显示过程中模拟不同的光照场景,从而实现三维真实感地形的仿真.并给出了具体的实现方法和实验结果.实验结果表明,这种方法能够有效地实现三维地形的光照场景仿真.     

太空场景光照仿真方法研究

建立一个逼真的太空环境,在航天训练模拟器的设计中,存在对星空光照和大气散射特性逼真度差的问题.为解决上述问题,提出了一种太空场景的光照仿真方法.首先对太空场景中的有效光源进行建模,分析各光源的光照贡献情况.然后在光照模型基础上,对航天器处于地球本影区和伪本影区的情况分别进行计算,并考虑地球漫反射光对环境光的影响.最后结合太空光照环境特点和视觉系统生理特性,采用色调映射算法进行场景显示亮度优化.对比真实太空图像进行验证,表明改进方法可以有效提高太空场景仿真的逼真度,所采用的亮度调节方法也切实可行,不仅实现简单高效,而且计算灵活性好,很好地满足了仿真训练的真实感和实时性的指标要求.     

基于纹理映射与Phong光照模型的体绘制加速算法

为了提高体绘制速度，提出了一种基于纹理映射、具有Phong光照效果的体绘制加速算法．该算法是根据Phong光照模型，利用一单位球面体来仿真相同光照绘制条件下的每一个体素的反射光强，首先形成一个以法线矢量为索引值的反射光强查寻表，再应用窗值变换的加速算法来计算体素的不透明度；然后采用纹理映射的方法将体素光强值与由不透明度组成的3D数据集从物体空间投射到观察空间，再沿视方向融合为3D图象．实验表明，这种3D旋转的明暗修正保证了体绘制中3D旋转几何变换的多视角观察的交互速度．由于该算法综合了体绘制软件算法数据处理与纹理映射硬件加速的优点，并用2D纹理映射与融合的方法实现了体数据的3D重建，因而不仅降低了对计算机硬件与软件环境的要求，而且在目前通用个人计算机上即可获得近似实时的交互绘制速度和良好的3D图象品质．据研究，该算法同样适用于3D纹理映射的体绘制方法．     

基于体绘制的三维云可视化研究

为了模拟逼真的三维云场景,该文针对现有模拟三维云的光照模型实现复杂、计算耗时、不能充分展示三维云物理特性的问题,提出了一种基于体绘制技术的改进光照模型的方法.基本思想是采用体绘制技术,把三维云分成粒子集,引入光线投影算法,通过对现有的多次前向散射光照模型散射次数进行简化和散射分布进行改进,然后运用VC++和OpenGL开发工具,直接从三维数据场中模拟光线在云内部与云中粒子相互作用的细节,实现了三维云的模拟.结果表明该方法实现简便,生成的三维云较好地展示了云的物理特性,达到了理想的可视化效果     

一种基于偏最小二乘法的室外光照估计算法

针对固定视点下的室外场景在线视频光照求解问题,提出一种基于偏最小二乘室外场景实时光照估计算法.在离线阶段提取场景中对光照变化较为敏感的区域,并将这些区域像素值的均值与方差的无偏估计作为场景图像的统计参数,再利用偏最小二乘回归分析建立场景的光照参数与图像统计参数之间的模型;在在线阶段使用所建立的模型实时估计视频每一帧的光照条件.实验结果表明,使用该算法所求解的光照参数对虚拟物体进行绘制并将其融入视频中后,合成场景真实感很强.     

真实感图形的计算机生成

以真实感图形为代表的光栅图形技术日益成为计算机图形学发展的主流。本文围绕光照模型、画面绘制、纹理映射、影子生成以及场景造型等诸方面对真实感图形技术作了较为全面的综述,并着重讨论了整体光照模型和实现及其各种光线跟踪技术和光能辐射度方法。