高质量的实时直接体绘制算法

摘要

体绘制技术是科学计算可视化领域一个重要的研究方向，近年来，由于计算机图形处理器（Graphic Processing Unit，简称GPU）的高速发展，使得基于GPU的实时绘制成了当前计算机图形学的热门研究领域之一，本文着重研究基于通用图形处理器的直接体绘制技术，力求在绘制的真实感与交互性能之间寻求一个良好的平衡。 本文介绍了三维可视化和可编程图形处理器的概况，分析了可视化的主要流程与基于可编程图形处理器的图形流水线，总结了几种基于目前最新的可编程图形处理器的实时高质量体绘制算法。同时也给出了这些算法的完整实现和对比结果。本文还分析了传统基于GPU三维纹理体绘制算法的优缺点，并根据绘制质量和速度提出改进传统算法的技术。 由于目前GPU的并行和专注计算的架构，使得GPU的浮点运算速度远大于CPU。在GPU中已实现的基于纹理面片的体绘制算法，其主要工作都在片段着色器上进行，而顶点着色器只进行少部分的工作。为克服图形硬件对传统纹理映射体绘制的限制，提出并分析讨论了采用顶点编程来有效地实现基于纹理的体绘制中的切片组与包围盒相交过程的方法。由此保证顶点处理器、片段处理器与内存带宽间工作量的平衡，并结合空区域跳跃法与OpenGL的顶点缓冲对象（vertex buffer object）技术，进一步加快了绘制速度。传统三维纹理映射算法是以面绘制为基础的固定管线，因而难以实现体数据中的光照计算，而本算法可使用自定义光照算法，弥补了原先固定管线中，没有像素级光照的缺点，增强了算法的局部照明效果，实现Phong光照模型，提高了重建的真实感效果。 为了追求更高质量的绘制结果，保证交互性的前提下，在基于3D纹理的体绘制过程中考虑光的散射，从而得到阴影效果，并考虑现实图像合成中的可视化感知，提出将高动态范围色调映射技术应用到高动态范围体绘制得到的结果图片中。实验结果表明图像的质量得以较大提高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2研究进展及现状

1.2.1典型的软件类直接体绘制算法

1.2.2 GPU发展简史及图形编程语言简介

1.3论文的主要研究内容与章节安排

第二章可编程图形硬件概述

2.1 GPU加速原理和编程模型

2.1.1 GPU加速原理与特征

2.1.2 GPU编程模型及局限性

2.2可编程的图形处理流水线

2.2.1顶点着色器

2.2.2片段着色器

2.3小结

第三章体绘制理论及基于GPU体绘制算法

3.1体绘制理论基础

3.1.1体数据及预处理

3.1.2体绘制光照模型与积分

3.1.3体绘制主要流程

3.2基于GPU的体绘制算法

3.2.1基于纹理映射的体绘制算法

3.2.2基于GPU的光线投射体绘制算法

3.2.3基于GPU的频域体绘制

3.3实验结果与分析

3.4小结

第四章基于顶点编程的三维纹理映射体绘制算法

4.1大规模数据的基于顶点编程的纹理硬件体绘制

4.1.1体数据分块

4.1.2顶点处理器中相交计算

4.1.3空区域跳跃法

4.1.4算法描述

4.2纹理映射体绘制中高质量光照效果

4.2.1图形硬件的Gouraud和Phong明暗处理

4.2.2基于归一化梯度的实时per-pixel光照计算

4.3实验结果及分析

4.4小结

第五章高质量的体绘制算法

5.1体绘制过程中失真分析

5.2高质量的三维纹理硬件体绘制算法

5.2.1基于GPU的体绘制管道

5.2.2阴影体

5.2.3基于GPU的高动态范围体绘制与色调映射

5.3实验结果及分析

5.4小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文