GPU上的交互式全局光照渲染系统

摘要

近年来，GPU通用编程技术快速发展与普及，如何将传统的全局光照渲染算法移植到GPU上受到了越来越多学者的关注。由于光线跟踪其自身的高度可并行性，将传统的基于光线跟踪的全局光照算法映射到GPU进行实现，会得到巨大的潜在速度提升空间，交互式的甚至实时的全局光照渲染系统或将成为可能。
　　本文展示了一个基于NVIDIA OptiX光线跟踪框架开发的、完全运行在GPU上的渲染器，名为Tracy。Tracy采用了类似于PBRT和Mitsuba渲染器的设计思想和软件架构，具有高度的通用性和可扩展性，目前已经在其中实现了多种材质、光源模型、相机模型和全局光照算法。与基于CPU实现的PBRT和Mitsuba相比，Tracy在性能上提升了几倍，可以以交互式的速率提供渲染结果反馈。在渲染算法方面，本文还提出了对渐进式光子映射算法和双向路径跟踪算法的改进，以使它们更适合在GPU架构上实现。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 相关工作

1．1．2 工作难点

1．2 论文贡献

1．3 论文结构

第2章 基于蒙特卡洛的光传输模拟算法

2．1 背景知识

2．1．1 辐射度相关物理量

2．1．2 双向散射分布函数

2．1．3 渲染方程

2．1．4 蒙特卡洛积分法

2．1．5 重要性采样

2．1．6 多重重要性采样

2．1．7 光传输模拟的路径积分形式化

2．2 相关渲染算法

2．2．1 路径跟踪

2．2．2 双向路径跟踪

2．2．3 渐进式光子映射

2．3 本章小结

第3章 OptiX GPU光线跟踪框架

3．1 对象模型

3．2 程序

3．3 变量系统

3．3．1 语义交量

3．3．2 变量定义搜索范围

3．4 本章小结

第4章Tracy GPU渲染器的实现

4．1 概览

4．2 光源模型

4．2．1 接口设计

4．2．2 点光源

4．2．3 方向光

4．2．4 面光源

4．3 相机模型

4．3．1 接口设计

4．3．2 针孔相机

4．3．3 薄透镜相机

4．4 几何模型

4．4．1 光线自交的处理

4．5 材质模型

4．5．1 接口设计

4．5．2 虚拟材质

4．5．3 光线泄露的处理

4．6 与CPU渲染器的比较

4．7 本章小结

第5章 全局光照算法的GPU实现

5．1 路径跟踪算法的GPU实现

5．1．1 迭代的生成光线

5．1．2 多重重要性采样

5．2 渐进式光子映射算法的GPU实现

5．2．1 光子映射图加速结构

5．2．2 路径重生技术

5．3 GPU Streaming BDPT的实现与改进

5．3．1 Streaming BDFT的实现

5．3．2 One-sample BDPT

5．4 本章小结

第6章 结果与比较

6．1 系统功能测试

6．2 渲染算法的横向比较

6．3 GPU渲染的效率提升

6．4 算法改进

6．4．1 Reservoir Sampling

6．4．2 One-sample BDPT

6．4．3 Na(i)ve选择法与均匀选择法

6．5 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 未来展望

参考文献

致谢

作者简历