面向游戲與動(dòng)畫應(yīng)用的陰影技術(shù)研究.pdf

1、伴隨著計(jì)算機(jī)圖形硬件技術(shù)不斷地更新?lián)Q代,各類主流三維游戲?qū)τ陉幱颁秩镜膶?shí)時(shí)性與可交互性提出了更高的要求。同時(shí),隨著大型復(fù)雜光照環(huán)境在游戲、電影及動(dòng)面中的廣泛應(yīng)用,強(qiáng)大高效的真實(shí)感陰影渲染成為技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)。本論文工作針對(duì)游戲與動(dòng)面場(chǎng)景繪制中的實(shí)時(shí)高真實(shí)感陰影渲染進(jìn)行深入的研究。目前,一些衍生自硬陰影渲染算法的軟陰影算法,雖然能夠達(dá)到較好的實(shí)時(shí)性,但是僅適用于一些局部光源而無(wú)法在復(fù)雜光照環(huán)境下獲得具備一定真實(shí)感的陰影效果。相對(duì)地,一些

2、如光線跟蹤之類的全局光照算法,雖然能夠保證非常真實(shí)的渲染效果,但由于算法復(fù)雜計(jì)算量較大而只能用于離線渲染。另一種以渲染方程為基礎(chǔ)的PRT方法,通過(guò)將陰影渲染過(guò)程有效分解為預(yù)處理與實(shí)時(shí)渲染兩個(gè)階段,既能使陰影渲染在實(shí)時(shí)條件下進(jìn)行也能夠保證一定真實(shí)感效果。本文工作以(基于哈爾小波的)在高頻光照環(huán)境下應(yīng)用于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景渲染的PRT方法為基礎(chǔ)進(jìn)行展開。在過(guò)去的一些動(dòng)態(tài)場(chǎng)景PRT方法中,由于圖形硬件本身的限制,只能夠在立方體映射空間下對(duì)遮擋函數(shù)進(jìn)行采

3、樣并計(jì)算渲染方程。然而在立方體映射空間中,基于哈爾小波的物體旋轉(zhuǎn)問(wèn)題較難進(jìn)行處理。因此,本文選擇在球面極坐標(biāo)系上完成對(duì)于各類函數(shù)的采樣以及渲染方程的計(jì)算,并使得物體旋轉(zhuǎn)問(wèn)題得到有效解決。此外,為了提高真實(shí)感陰影在實(shí)時(shí)狀態(tài)的渲染效率,我們選擇在GPU上來(lái)實(shí)現(xiàn)渲染方程的計(jì)算。本文的工作和主要貢獻(xiàn)在于:(1)利用陰影場(chǎng)的形式對(duì)遮擋函數(shù)進(jìn)行采樣。提出了在球面極坐標(biāo)系上利用GPU光柵化特性以及GeometryShader對(duì)于遮擋函數(shù)進(jìn)行采樣的方法

4、。該方法也能擴(kuò)展到一些其他的參數(shù)坐標(biāo)系,使得動(dòng)態(tài)場(chǎng)景PRT方法不再局限于立方體映射空間。(2)利用Tree-Structured算法來(lái)完成渲染方程的計(jì)算。提出了一套對(duì)Tree-Structured算法在GPU上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的方案:針對(duì)在GPU上實(shí)現(xiàn)AugTree數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要受制于寄存器資源瓶頸這一點(diǎn),提出了能較好地控制寄存器資源消耗的兩種實(shí)現(xiàn)方式,為該算法實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ);根據(jù)環(huán)境光源的獨(dú)有特點(diǎn),對(duì)算法流程進(jìn)行調(diào)整以減少迭代次數(shù)并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化

5、。此外,我們也根據(jù)GPU的特性優(yōu)化該算法各實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)。(3)提出了在實(shí)時(shí)條件下基于哈爾小波在球面極坐標(biāo)系上解決物體旋轉(zhuǎn)問(wèn)題的方法,并利用旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣對(duì)遮擋函數(shù)的系數(shù)向量進(jìn)行線性調(diào)整;提出了基于GPU和CPU等兩種對(duì)于旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣的計(jì)算方法,并對(duì)旋轉(zhuǎn)系數(shù)矩陣的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行大幅優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的遮擋函數(shù)采樣方法與陰影測(cè)試線方法相比,不僅保證很小的誤差,更使得采樣效率得到較大提升;對(duì)于Tree—Structured算法流程調(diào)整后所做