基于GPU可编程渲染管道的树木拟真实时渲染

摘要

三维可视化技术随着计算机日新月异的发展已经从电子游戏领域走向更多应用范畴，而众多的科研领域例如航天、军事、医疗等都有广泛的应用。作为三维可视化技术的核心问题之一的实时渲染一直处于焦点当中，如何利用现有丰富多彩的手段来表现实时渲染也是多方研究的课题。随着林业研究发展的需要，将当前这种表现形式丰富、表现手法直观、呈现效果上佳的技术运用于林业研究领域是一种发展趋势，而具体研究合适的实时渲染技术为今后林分实时渲染的发展具有铺垫意义。
　　当前林业可视化研究中实时渲染研究相对来说较少，很多是应用都采用出现时间较长的固定渲染管道，可编程渲染管道的运用没有被完全开发出来。而由于众多应用中的关切点和目的不同，林业相关的实时渲染一直不尽如人意。本文针对林分实时渲染和林业研究的特点提出一些方法，在原有的简单实时渲染基础上，尽量提升实时渲染的效果，在原有的林分数据中找到一些合适的实时渲染技术，通过直接在GPU上运行相关方法，提升实时渲染在林分三维可视化中的表现力，主要表现在以下三个方面。
　　首先，研究了材质问题中的凹凸材质图相关问题，凹凸材质图可以在保证性能的前提下大幅度提升物体在实时渲染下的表面视觉效果。本文提出了一种基于图片灰度图的方法，利用灰度值模拟光照强度大小，通过局部拟合曲面、利用微分计算切平面和法线获得法线信息，并最终获得凹凸材质图，再实现获得的凹凸材质图效果。凹凸材质图用于林分可视化中的树木树皮材质图，有效提高了树木细节渲染。
　　再次，研究了林分可视化中的林分林地建模方法。提出了一种基于二次高斯函数模板的林地建模方法，方法克服了众多在传统插值方法中遇到的问题。方法按照获得林地离散采样点信息、分析信息、建立地形数据灰度图、选取合适模板、运用算法和获得结果地形灰度图的步骤。提出了这新方法为林分可视化过程解决林地建模问题。
　　最后，研究了全局照明技术中的光源辐射技术。光源辐射在于模拟现实场景中光线在整个场景中通过反射、折射、散射等过程充满整个照明区域。提出了一种针对林分地形的光源辐射技术，将林分整体环境、树木相互影响考虑在这种光源辐射技术中，力求提升原有全局照明过程，逼真模拟环境光线效果。
　　文章对于研究技术的扩展和日后可以继续的工作给出的展望和畅想。一方面由于实时渲染技术的通用性，在各个应用领域都可以适当采用，或者优化，另一方面在研究时考虑的扩展能力也为这项研究被广泛应用提供支持。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 论文背景与意义

1．2 国内外研究现状及其应用

1．3 论文主要内容

1．4 论文结构

1．5 本章小结

2 相关技术及环境

2．1 图形处理单元GPU

2．2 可编程渲染管道

2．3 图形编程接口

2．4 着色器

2．4．1 顶点着色器

2．4．2 像素着色器

2．5 三维图像引擎

2．6 本章小结

3 树皮材质处理

3．1 材质原理

3．2 树皮材质的凹凸模拟处理方法

3．3 自主树皮凹凸材质图获得算法

3．3．1 树皮凹凸材质图原理分析

3．3．2 树皮凹凸材质图算法

3．4 树皮凹凸材质图算法实现

3．5 实现树皮凹凸材质图效果

3．6 实验结果分析

3．7 本章小结

4 林地建模与渲染

4．1 地形建模原理

4．2 基于二次高斯模版的林地建模算法

4．2．1 林地建模问题分析

4．2．2 二次高斯模版林地建模算法

4．3 二次高斯模版林地建模算法实现

4．4 实验结果分析

4．5 本章小结

5 林分整体光照处理与渲染

5．1 全局照明的光源辐射原理

5．2 基于林分可视化的光源辐射算法

5．2．1 光源辐射问题分析

5．2．2 光源辐射自主算法

5．3 光源辐射自主算法实现

5．4 实验结果分析

5．5 本章小结

6 结论

6．1 主要工作总结

6．2 论文价值

6．3 未来展望

参考文献

攻读期间主要学术成果

致谢