基于GPU的光线跟踪及虚拟眼视光学仿真

摘要

本文是“中国人虚拟眼结构和功能模拟与建模研究”课题的组成部分之一，为建立“中国人虚拟眼”做先期的探索和研究。 作为虚拟眼功能模型研究的组成部分，围绕视光学仿真系统的建立展开了一系列基础研究工作。较为充分地研究了当今热门的GPGPU(基于图形处理器的通用计算)技术概念原理以及实现方法，提出一套GPGPU通用计算框架，在GPU上实现了虚拟眼的光线跟踪算法，并对其进行了分析和一定的改进优化。在视光学仿真方面，集合了众多前期模型研究的成果，以基于GPGPU的光线跟踪技术为核心，提出虚拟眼视光学仿真系统的模型，并实现了初步的系统。 本文的主要研究内容及创新之处： 1.在对GPGPU技术的理论、实施要点以及其局限性进行了较为深入的研究之后，针对科学计算领域GPGPU普及困难以及标准混乱的现状，独创地提出了一套通用的GPGPU计算框架。 2.将光线跟踪算法引入对角膜/晶状体等的光线折射等的研究，从微观角度和仿真计算的手段来研究眼的光学成像机制。研究并实现了基于GPU的虚拟眼光线跟踪算法，相比于CPU算法取得了非常显著的性能提升。 3.突破了传统GuUstrand-Emsley模型眼，结合角膜地形图以及晶状体参数化模型构造了虚拟眼视光学仿真系统，进行了初步的仿真分析研究。在获得比较理想的实验效果的同时最大限度提高了提供了系统的灵活性，也为后续的综合仿真研究打下了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：插图索引、表格索引

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第一章绪论

1.1引言

1.2课题的研究背景以及国内外研究现状

1.2.1问题的提出：视光学研究面临的挑战

1.2.2课题研究的技术背景：GPU技术发展现状

1.3课题主要研究对象以及创新之处

1.4本文组织结构及章节安排

第二章GPGPU：GPU通用计算技术研究

2.1 GPU背景及其发展现状

2.2现代GPU渲染原理及其工作流程

2.2.1计算机3D渲染基本原理和流程

2.2.2可编程GPU渲染管道

2.2.3 GPU高级着色语言

2.3 GPU通用计算技术概述

2.3.1 GPGPU概念模型

2.4 GPGPU通用计算框架的设计

2.4.1基础类型和封装

2.4.2计算核心ComputationKernel的实现

2.5 GPGPU结构化流程序列的实现

2.5.1顺序结构

2.5.2 For循环结构

2.5.3单核心While循环结构

2.5.4多核心While循环结构

2.6初步性能分析与比较

2.7本章小结

第三章基GPU的视光学仿真光线跟踪算法

3.1传统光线跟踪的概念

3.2视光学仿真中的光线跟踪算法

3.2.1基于参数坐标系的光线-物体碰撞检测算法

3.2.2碰撞检测算法的优化

3.2.3光线折射算法

3.3光线-物体碰撞检测的GPU加速算法

3.3.1数据结构设计

3.3.2算法流程

3.3.3核心Shader代码片断

3.4光线折射的GPU加速算法

3.4.1数据结构设计

3.4.2核心Shader代码片断

3.5测试数据及结论

3.5.1光线-物体碰撞检测算法性能测试

3.5.2光线折射算法性能测试

3.6本章小结

第四章虚拟眼视光学仿真

4.1虚拟人及虚拟器官研究背景概述

4.1.1虚拟眼研究现状

4.1.2视光学仿真研究

4.1.3视光学仿真研究的技术条件和实验数据基础

4.2基于计算机角膜地形图的角膜模型

4.2.1计算机辅助角膜地形分析系统

4.2.2角膜地形仪的基本原理

4.2.3角膜地形图的阅读和理解

4.2.4基于角膜地形图的角膜模型

4.3晶状体的参数化模型

4.3.1晶状体的形状以及基本功能概述

4.3.2晶状体参数化模型

4.4虚拟眼视光学仿真系统的整合

4.4.1系统模型和结构

4.4.2视光学模型整合以及运行流程

4.5虚拟眼视光学仿真初步实例研究

4.5.1对于成像数据的后续处理

4.5.2点光源的仿真研究

4.5.3简单图像数据的研究

4.5.4系统限制和今后的工作展望

4.6本章小结

第五章结束语

参考文献

硕士期间发表文章目录

致谢