基于虚拟光源的实时半透明材质渲染

半透明材质渲染是实时渲染领域的重要研究部分。针对透射渲染依赖于准确的透射厚度计算,往往受限于场景模型和光照的复杂度问题,提出一种基于虚拟光源来计算半透明材质渲染中的透射厚度的方法。即在场景中增加一个虚拟光源,并在虚拟光源处使用排序算法来计算场景的深度信息。在计算从真实光源到着色点处的透射厚度时,提出在两者世界空间连线的直线段上进行采样,统计在物体内部的采样点占总采样点数目的比例,乘以直线段的长度得到估计结果。并且,当场景中存在多个真实光源时,基于采样的方法能够复用虚拟光源中存储的场景深度信息。该算法能够有效地提升透射厚度计算的准确率,也能减轻场景中光源数量增多带来的显存开销问题。实验证明该方法能在效率、效果和显存开销之间取得较好的平衡。     

重要性驱动的实时间接光泽反射算法

实时间接光泽反射效果有助于提高渲染场景的真实感.为了解决虚拟点光源(virtualpointlights,VPLs)在光泽材质处的着色走样问题,提出基于VPLs光照贡献重要性的渲染算法.首先提出基于Tile的光照贡献估算方法,通过分块拟合和分块剔除快速估算VPLs的光照贡献;然后通过自适应权重的时域复用方法,生成重要性驱动的分布图;最后结合Mipmap多级纹理映射技术,快速在场景的不同区域生成不同密度的VPLs.在金属戒指和斯坦福兔子等场景下的实验结果表明,使用相同数量的VPLs进行渲染,所提算法渲染质量优于随机光源裁剪算法,渲染结果的均方根误差不超过2%.     

基于重要性采样的动态场景全频阴影实时绘制算法

由于环境光源下的柔和阴影绘制需要针对每像素对来自全景方向的上千个光源进行昂贵的可见性计算,这给实时绘制带来了巨大的挑战.在消除预计算的前提下,提出了一种环境光源下动态场景全频阴影实时绘制算法.通过基于光照强度的环境图重要性采样、场景几何信息近似采样、阴影图预滤波、BRDF重要性采样等方法,实现了环境光源下动态场景的全频阴影及其环境映射绘制.实验表明,算法可满足环境光源、场景物体及其材质动态变化的要求,并可在保证实时绘制效率的前提下,取得近似于预计算算法的绘制质量.     

采用重要性面片采样的实时全局光照

提出了一种实时全局光照的计算方法。该方法支持任意视点下动态光源的一次间接光照计算,并且物体表面材质可实时编辑,该算法预计算了各面片上的形状因子来解决遮挡问题,并记录形状因子较大的重要性面片作为间接光源。渲染时先从光源方向对场景记录了一个扩展的阴影图,包含了光源照射到的面片ID和其光通量,再根据采样好的间接光源来计算间接光照。使用CUDA,整个光照计算过程在GPU中完成,可以对静态场景进行实时渲染,并能达到逼真的渲染效果。     

城市三维场景的逆过程式建模与混合渲染方法

针对大规模城市场景受制于数据规模,难以实现完整场景的视觉无损渲染的问题,提出一种基于过程式纹理重构和混合层次细节(LOD)模型的渲染方法.首先提取纹理中的重复与对称特征,构造纹理的过程式语法表示,实现了约70%的数据压缩,并且用户可以直接控制过程式语法的生成;然后通过几何模型采样创建点、线和多边形混合的LOD表示并编码存储;最后根据屏幕空间投影面积选择LOD模型进行渲染.实验结果表明,与原始模型和几何LOD方法相比,该方法分别实现了约10倍和5倍的渲染加速,可以实时渲染城市级大场景;在大幅度提高渲染效率的同时,基于72个个体样本的用户感知评价测试和基于动态范围无关算法的自动化测试结果证明,该方法渲染结果的视觉质量与原始模型相比无显著差异,是一种视觉无损渲染方法.     

基于GPU的光源空间平行分割阴影图算法

针对平行分割阴影图算法中当光线方向与视线方向不垂直时,场景中对象被冗余渲染到多层阴影图中的问题,提出一种基于GPU的光源空间平行分割阴影图算法.在光源空间中,利用光源视锥体将场景划分为不相交的多层区域,利用GPU为各层生成阴影图,以确保场景采样点不在多层阴影图中重复出现;同时给出了一种快速综合场景阴影效果的绘制方法,通过避免判断像素层次的操作提高了GPU的利用率.实验结果表明,文中算法解决了平行分割阴影图算法的冗余渲染问题,提高了渲染效率和场景阴影质量.     

基于概率计算模型改进的相关性层次遮挡裁剪算法

对复杂动态场景进行高效的可见性裁剪是实时绘制领域研究中的一个重要问题.围绕该问题开展工作,并针对相关性遮挡裁剪算法中的问题进行了改进.针对相关性层次遮挡裁剪算法存在冗余和不必要遮挡查询的问题,给出了一种概率计算模型.通过比较遮挡查询时间开销与绘制时间开销的数学期望,改进了相关性遮挡裁剪算法中遮挡查询的查询策略,从而进一步缩小了查询集合,使遮挡查询更加合理.实验结果表明,该算法对深度复杂度高、面片数量大的复杂动态场景有较好的裁剪效率,能够很好地满足实时绘制的要求.     

基于层次细节模型的遮挡裁剪算法

遮挡裁剪和应用层次细节模型是两种有效的三维复杂场景渲染加速算法，为了快速地进行三维复杂场景的渲染，提出了一种结合层次细节模型与遮挡裁剪技术的算法框架，该算法首先在预处理阶段，将场景划分成不同空间层次结构；然后在运行时刻，对较高的空间层次，可应用遮挡裁剪技术判别场景的可见性，并裁剪掉不可见场景部分，而在局部的较低层次上，则应用网格简化方法来选择适当的模型层次细节，实验结果显示，该算法取得了较好的加速性能。     

一种超大规模地形场景的实时渲染算法

超大规模地形场景包含大量的数据,无法一次性载入内存进行实时渲染.基于Geometrical Mipmapping算法,结合动态调度技术,提出一种高效的超大规模地形场景实时渲染算法.算法对海量地形数据进行分块,在实时运行时,根据视点的位置动态地载入所需的地形块和释放无用的地形块,使得内存中的地形数据维持在一定范围内.然后,通过LOD技术和视域剔除对内存中的地形数据进行简化,大量减少送入GPU的三角形数量,从而达到实时渲染.实验结果表明,算法渲染速度快,内存开销较小,适合于超大规模地形场景的实时渲染.     

基于离散LOD-Imposter技术的森林实时渲染算法研究及实现

森林植被的实时可视化技术是复杂虚拟环境渲染的重要组成部分,也是影响虚拟环境逼真度的重要因素。提出了一种基于离散LOD和Imposter相结合技术的森林实时渲染算法,该算法利用像素作为LOD选择参数,通过像素阈值判定对不同面数的模型进行选择渲染,使用二叉树遍历算法对场景中树的节点进行遍历,利用Imposter技术对距离较远的模型用一张texture代替。通过使用关键帧增加树的动画效果,利用动态的光影效果提高树的真实性。该算法能够很好地模拟大规模森林的效果,满足了对大规模森林进行漫游的实时性的要求。     

快速反投影软影绘制算法

针对已有的软阴影映射技术允许在使用一张阴影贴图的条件下对复杂的动态场景实时渲染出比较真实的软影,而在处理大面积软影时算法的执行效率不高的问题,通过创建一种新的边界存储结构,提出了一种快速软影生成算法.该算法是一种3遍算法:第一遍从光源中心计算场景的深度图;第二遍采用边缘提取算子对深度图进行滤波,找到所有可能的边界点;第...     

基于光线追踪的全局光照及降噪处理研究

传统的路径追踪算法能够有效地追踪光线的运动轨迹,从而在屏幕上呈现出真实的渲染效果,但传统的光线追踪算法只能够追踪镜面反射或规则的折射光,追踪漫反射光消耗太大,效率低下。基于蒙特卡洛概率方法的光线追踪能够从统计意义上很好地实现物体间漫反射的光照效果,极大地解决了传统光线追踪的缺陷和效率问题,然而只有当采样数为无限大时,蒙特卡洛方法才是无误差的。为了提升渲染性能和质量,尽可能缩小误差,提出了一种根据颜色采样分布进行降噪处理的优化方法,该方法可以减少采样数,通过后期处理来去除噪声。通过在自研图形引擎中渲染虚拟场景对比实验发现,根据颜色采样分布进行降噪处理的方法能够实现较好的渲染及降噪效果,提高整个算法的性能以及画面表现。     

基于大气散射模型的航空场景实时渲染算法

针对航空仿真系统视景渲染真实性和实时性的问题,提出一种基于大气散射物理模型的室外场景实时渲染方法.首先,根据瑞利散射和米氏散射构建基于地球椭球体的大气散射数学模型,通过预先渲染并将渲染结果保存至纹理以便实时绘制调用;其次,利用基于密度积分的方法进行雾霾效果的模拟,并利用柏林噪声实现雾霾的动态变化效果;最后使用高动态范围技术优化渲染图像.实验结果表明,上述算法适用于场景分辨率较高的航空场景仿真,能够提供帧率稳定、逼真的实时场景渲染画面.     

大规模三维地形与天空场景的实时渲染

大规模三维室外场景包含大量的几何和纹理数据,给实时渲染带来了一定的难度.讨论基于四叉树结构的LOD地形和圆型天空体渲染方法,并在数据结构、可见性判定、算法实现等方面进行了优化,在此基础上,结合OpenGL和Visual Studio2005等工具进行开发和实验.实验结果表明,该方法能够根据不同的地形分辨率及视野范围,进行裁剪和剔除,有效地提高场景渲染的帧数,满足了实时渲染的要求.     

基于后处理的实时景深模拟与应用

针对虚拟现实系统中的景深模拟问题,提出了一种改进的基于图形处理器(GPU)的后处理景深模拟算法.该算法在场景渲染时将全分辨率纹理图存入离屏缓存区,利用该离屏缓存区的Alpha通道输出每个像素的线性化深度信息;对这个全渲染的场景纹理图作下采样处理,得到原图像1/16大小的图像;对下采样后的场景纹理进行可分离二维高斯滤波,生成模糊的场景纹理图;通过泊松采样方法,在弥散圈内将两幅纹理图基于线性化深度信息进行融合,模拟出了景深效果.最后将该算法应用于一个海上搜救虚拟现实系统.实验结果表明,所提算法较好地仿真了景深效果,改善了传统后处理滤波算法的深度连续性差、亮度扩散等问题,并能满足实时交互需求.     

基于面向对象八叉树的飞机虚拟维修场景渲染

为了加速大规模虚拟场景的渲染速度,采用基于面向对象八叉树的方法对场景进行渲染。该方法将面向对象技术与传统八叉树技术相结合,采用面向对象八叉树剖分虚拟场景,对场景进行管理;将物体结构树的最小零部件作为最小存储单元,采用叶节点保存对象信息,减小树的存储量和处理时间,降低算法的计算负担;在面向对象八叉树的基础上,采用模型遮挡裁剪算法对位于视域范围内的模型进行遮挡裁剪,减小实际渲染的物体数量,提高渲染速率。通过对飞机虚拟维修场景进行渲染实验,证明了该方法的有效性。     

基于分治采样的实时复杂光源照明

现有渲染复杂光源光照的技术大多需要一个长时间的预处理阶段,一不需要预处理的技术往往只专注某一类型的光照效果.为了解决不同类型光照计算需要不同类型采样策略的问题,提出一个新的、不需预计算的高效涫染复杂光源光照的框架.通过对渲染方程进行分治采样,统一的光照计算被分解为高频反射、低频反射以及遮挡阴影3项,每一项采用不同的采样策略计算,以使各部分都能在较短的时间内得到高质量的渲染结果.高频反射项根据材质BRDF的特性进行重要性采样;低频反射项是以光源亮度作为采样权重对光源进行预采样计算得到的;遮挡项的结果由屏幕空间的深度信息采样计算得到.由于遮挡阴影的低频特性,间隔采样技术可以在保持视觉效果的同时大大减少每个像素的采样数量.此渲染框架易于在GPU上实现,且可以解决很多实时渲染问题.实验结果以及对比表明,应用该技术框架能够处理完整的复杂光照效果,且达到比现有技术更高的渲染质量.     

增益控制策略下的梯度域路径追踪算法

针对梯度域路径追踪算法在像素平面均匀采样的策略会使渲染图像在不同频率区域的渲染质量差别较大的问题,提出增益控制策略下的梯度域路径追踪算法.引入平均梯度计算局部平均梯度值,筛选并标记出高频区域和低频区域,将低频区域的样本用于对高频区域增强采样;随着每轮渲染高低频区域的不断更新,自适应地对样本进行分配,实现像素平面采样的增益控制.一方面,在不同材质和光照的场景下,将改进算法和梯度域路径追踪算法进行实验对比,结果表明,文中算法使人眼敏感的高频区域渲染更加细腻;另一方面,使用均方误差、峰值信噪比和结构相似度3种图像质量评价指标评价渲染图像,并对比采样过程中3个指标的变化情况,结果表明,在保证样本数量相同的条件下,文中算法可以加快渲染的收敛速度,提高渲染效率.     

基于OGRE引擎的虚拟场景浏览

虚拟现实技术的虚拟交互性得到了越来越广泛地应用,虚拟场景浏览技术有效地解决了现实世界的时空局限等瓶颈问题.在对虚拟现实(3I)原理研究分析的基础上,依据插件设计的思想,设计了一种基于OGRE引擎的虚拟场景浏览框架,框架明确的包含两个端:渲染端和控制端.渲染端封装了OGRE渲染引擎,实现了快速实时的渲染;控制端,通过建立虚拟漫游交互机制来完成虚拟场景与外设的实时控制.基于OGRE八叉树的场景管理、射线查询算法、寻路算法、物体的拣取、RTT等技术的运用实现了用户与虚拟环境的交互系统,用户操作信号输入到计算机中并作用于虚拟环境,创建实时渲染处理结构,实现人与虚拟环境的实时快速的交互;基于OpenAL,OggSound的音效系统,克服了用户在场景浏览时的单调与乏味,更具真实感,丰富了场景浏览的真实性.在实践中应用OGRE图形引擎、CEGUI界面库、OpenAL,OggSound声音库实现了该系统.     

基于虚拟现实的渲染优化算法

随着虚拟现实技术的不断发展，对虚拟场景的真实度要求也越来越提高.然而在虚拟场景中，复杂的地形、大量的植被和建筑使需要渲染的数据量大得惊人，故渲染速度成为了虚拟现实技术的一大瓶颈.现有的研究并不能很好的提升虚幻引擎中的渲染速度，还会出现“突越”和对视野外模型剔除效果差的问题.本文提出一种游戏线程与渲染线程并行和双层裁剪算法.首先在虚幻引擎中将游戏线程与渲染线程并行以提升渲染速度，然后使用淡入淡出细节层次算法进行第一层裁剪，最后使用缓慢剔除算法进行第二层裁剪，提升剔除效果.实验证明，该方法与串行线程相比渲染速度提升了40%，与传统单层裁剪算法相比，帧率也达到了55.