基于Renderman规范的Catmull-Clark层次细分曲面渲染

摘要

影视特效的需求推动着计算机图形学技术的发展，计算机图形学技术对影视行业也有着巨大的影响。建模与渲染是计算机图形学重要的研究与应用领域。研究人员研究出来许多渲染算法，如今的商业的渲染引擎大多支持多种渲染算法，其中Renderman规范的渲染器在渲染领域有着非同一般的地位。电影中逼真的物体是通过建模来表示的，Catmull-Clark细分曲面兼具NURBS和多边形的优点，既支持任意拓扑又能达到光滑的效果，是一种有效的建模方式。由于早期计算机性能较低，并且细分算法又比较耗时，细分曲面在过去很多年里发展缓慢。随着计算机性能的提升，细分曲面理论的完善和技术的积累，Pixar公司将细分曲面技术应用到了动画电影中。随着Pixar公司释放相关专利和技术，基于Renderman规范的细分曲面应用越来越广泛。细分曲面建模已经成为Maya建模方式的之一。对细分曲面这一重要的模型的支持成为真实感渲染引擎的必备功能。基于Renderman规范的Catmull-Clark层次细分曲面经过完全折痕、半折痕、层次编辑等相关扩展才形成如今的规范。实现基于Renderman规范的细分曲面的有效渲染面临着一些问题，这些问题包括支持层次编辑特征、在Reyes渲染流程中渲染效率问题、在光线跟踪流程中加速结构与渲染效率问题。本文中我们讨论并解决了这些问题。
　　本研究主要内容包括：⑴提出基于视角的自适应细分算法，该算法对非规则面进行不断细分，将规则面转化为双三次B-样条曲面，并通过着色密度控制双三次B-样条曲面和非规则面的细分过程。⑵提出基于场景的渐进式的细分算法。在光线跟踪渲染流程中，只细分对光线计算有影响的细分曲面，避免不必要的细分。此外还改进了层次细分曲面的加速结构，提升了渲染效率。⑶在现有的渲染系统上实现对Catmull-Clark层次细分曲面的表示和渲染，并且对网格数据结构、纹理映射计算、包围盒边界、层次编辑特征计算进行有效的实现。通过本文的工作，RenderWing渲染器已经完全支持基于Renderman规范的Catmull-Clark层次细分曲面。本文对纹理映射，包围盒边界问题进行了相应的测试，问题都得到了解决。本文在Reyes渲染流程和光线跟踪渲染流程中测试了相应的细分算法，结果表明，本文实现已经满足了商业动画电影对层次细分曲面的要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 国内外的研究和发展状况

1．2．1 Catmull-Clark细分曲面及扩展

1．2．2 Renderman中的Catmull-Clark细分曲面

1．2．3 Catmull-Clark细分曲面的参数估值

1．2．4 Catmull-Clark细分曲面的特征自适应细分

1．2．5 光线跟踪与细分曲面

1．3 主要工作

1．4 本文组织结构

第2章 细分曲面建模与渲染相关知识

2．1 层次细分曲面

2．1．1 Renderman中的Catmull-Clark细分曲面

2．1．2 Maya中的Catmull-Clark细分曲面

2．2 Renderman规范与细分曲面

2．2．1 Reyes架构

2．2．2 Renderman接口

2．2．3 层次细分曲面接口

2．3 RenderWing渲染器

2．4 本章小结

第3章 Catmull-Clark细分曲面模型表示及实现

3．1 Catmull-Clark细分曲面模型表示

3．1．1 层次路径

3．1．2 层次编辑

3．2 关键实现

3．2．1 实现流程

3．2．2 细分曲面的数据结构

3．2．3 纹理计算

3．2．4 层次曲面的特征支持

3．3 本章小结

第4章 Catmull-Clark层次细分曲面的渲染及相关改进

4．1 基于视角的自适应细分算法

4．1．1 相关问题

4．1．2 渲染算法

4．2 光线跟踪中的细分曲面渲染算法

4．2．1 相关问题

4．2．2 加速结构

4．2．3 渲染算法

4．3 本章小结

第5章 实验分析

5．1 实验环境

5．2 层次编辑效果测试

5．3 纹理映射

5．4 Reyes流程中细分算法测试

5．4．1 统一细分测试

5．4．2 基于视角的自适应测试

5．5 光线跟踪流程中细分算法测试

5．6 实验结果分析

5．7 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目