面向复杂对象的实时虚拟展示关键技术研究

摘要

随着计算机技术的迅猛发展，虚拟现实技术已经被应用在很多领域，同时对图形生成的真实感和实时性两个方面都提出了极高的要求。尤其是对于面向复杂对象的应用，解决真实感和实时性问题，已成为虚拟现实领域中亟待解决的瓶颈问题。在虚拟现实系统中，复杂对象的实时高真实感的渲染将直接影响操作者的沉浸感，关系到整个系统设计的效果。论文工作围绕复杂对象的真实感和实时问题展开，主要包括以下几点：
　　 1)在分析了实时虚拟展示相关现状的基础上，提出了实时虚拟展示存在的问题和未来的发展方向；
　　 2)研究了一种基于GPU(Graphic Processing Unit)的实时点云数据的属性生成技术，该技术利用NVIDIA的并行编程架构(CUDA(compute Unified Device Architecture))，充分挖掘了当前GPU高并行处理大量数据的能力，大大提高了海量点云原始数据的属性生成、实时数据结构生成的速度和效率，实时生成的数据结构可以为实时高真实感的绘制提供支撑；
　　 3)研究了基于多核的屏幕空间渲染技术。该技术不是随机的计算采样点的集合，而是利用一个分层次的空间结构来动态的计算采样点的集合，通过这种数据结构可以简化采样点的选择，减少计算时间，节省内存空间。基于多核的屏幕空间方法可以非常方便地实施带有LOD控制的视点相关的多分辨率渲染，由于技术采用的八叉树空间分层次结构可以通过CUDA进行实时构建，所以该方法不仅仅可以提高渲染的速度同时也支持场景的动态交互更新；
　　 4)研究了基于PRT(Pre-Computed Radiance Transfer)和BRDFLWI(Bi-Directional Reflection Distributed Function with Light Weight)的综合实时加速渲染方法，将传统的BRDF和环境图中的点光源的集合结合起来，并根据点光源集合的亮度给予一个权重系数，由于计算点光源的集合而不是单独计算许多点光源，减少了计算量，大大的提高了渲染的速度，为了计算自遮挡对场景中可能产生被遮挡的部分进行了PRT的预计算，这种综合的方法不仅仅提高了渲染的速度而且提升了渲染的真实感；
　　 5)研究了一种基于动态HDR背景下的透明物体渲染方法，解决了透明物体在动态HDRI(High Dynamic Range Image)图像背景下实时进行反射以及折射等光学现象模拟问题；
　　 6)研究了基于光亮度权重系数的色调映射方法，根据图像中的像素光照分布计算每个像素的光照亮度权重系数，利用权重系数进行色调映射，该方法在保留局部细节的同时，也尽最大地减少图像信息的丢失，能够生成较好的最终图像效果。
　　 在上述技术的基础上，以汽车作为复杂对象实例，开发了复杂产品(汽车)的互动虚拟展示系统.主要包括虚拟驾驶系统，基于GPU的材质编辑系统、互动虚拟展示系统.互动虚拟展示系统提供实时观看复杂产品外观、内饰在动态真实HDR背景光照下材质光影特性变化的功能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

声明

致谢

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义与目标

1.3 主要研究内容

1.4 论文组织

第2章 实时展示技术综述

2.1 基于点的绘制综述

2.1.1 基于点的绘制的优势

2.1.2 基于点的绘制方法

2.2 高真实感实时渲染技术

2.2.1 PRT技术

2.2.2 光线跟踪技术

2.2.3 基于多核的加速技术

2.3 高动态范围图像的色调映射技术

2.3.1 全局算法

2.3.2 局部算法

2.4 小结

第3章 基于多核的点云数据实时处理技术

3.1 基于流的概念

3.2 属性处理

3.3 流运算分类

3.4 系统实现

3.4.1 相邻运算

3.4.2 法向量估计

3.4.3 曲率估计

3.4.4 Splat大小的估计

3.4.5 Fairing(平滑算法)

3.5 实验结果以及性能分析

3.6 本章小结

第4章 基于多核的屏幕空间渲染技术

4.1 背景介绍

4.2 算法概述

4.3 算法实现

4.3.1 采样点的动态生成

4.3.2 挖掘帧之间的一致性

4.4 实验结果以及效果分析

4.5 本章小结

第5章 基于BRDFLW和PRT复杂模型渲染技术

5.1 算法介绍

5.2 系统实现

5.2.1 BRDF数据表示和建模

5.2.2 采样策略

5.2.3 基于PRT的光辉自传输

5.2.4 复杂模型的基于GPU的向量图生成方法

5.3 实验结果及分析

5.4 本章小结

第6章 基于GPU和动态BRDF渲染技术

6.1 极散度近似

6.2 动态BRDF对透明物体的光照计算

6.2.1 双散射近似模型的卷积过程

6.2.2 次表面亮度梯度的推导

6.3 实验结果及效果分析

6.4 本章小结

第7章 基于光亮度权重系数的实时色调映射技术

7.1 算法介绍

7.2 系统实现

7.3 卷积积分的近似

7.4 本章小结

第8章 系统实现

8.1 系统的主要功能设计

8.2 本章小结

第9章 总结与展望

9.1 本文工作总结

9.2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果与项目主要经历