基于加速算法的光线跟踪渲染器的设计与实现

摘要

渲染器是3D引擎和动画电影制作软件的核心部分，用于将3D物体绘制到平面上。因为光线跟踪算法综合考虑了各种模拟光源和环境入射光等在不同材质的物体表面产生的反射、折射和阴影现象，所以其成为了一种最主要的渲染算法技术，并在大量的渲染器中得到了应用。随着虚拟现实技术和虚拟制造技术的发展，渲染器也将对光线跟踪算法渲染速度提出更高的要求。
　　在研究中，引入线段树和包围盒技术来实现光线跟踪的加速算法。线段树是一棵区间管理树，能将一段区间划分为许多段小区间，同时线段树又是一棵平衡二叉树，它保证了其左右子树所管理的区间大小相平衡。使用线段树可以快速的查找某一个节点在若干个区间中出现的次数，其查找时间具有对数级别的时间复杂度。因此可以借鉴线段树管理数据并能加速数据查找的能力，将线段树管理数据的维度扩展至3维空间中，将这种新数据结构加入到渲染器中，可大幅增加光线跟踪算法的渲染速度。同时在图形学中，AABB包围盒能极大程度的简化物体相交性检测的过程提高检测速度，同时在基于空间管理上来加速判断物体间是否需要进行相交性检测也能在一定程度上加速跟踪算法。因此，将以上两种思想加以结合就可以大大加速光线跟踪算法的渲染速度。
　　加速算法实现后借助光线跟踪渲染器进行测试，并与Turner Whitted渲染算法相比较。测试涵盖了两个指标，第一个是测试不同采样率下两种算法的渲染速度，第二个是渲染在不同复杂度的场景下两种算法的渲染速度。测试结果表明，在场景中所需要渲染的物体较多且物体在整个场景内分散较均匀的情况下加速算法渲染同样的场景且得到的渲染结果与Turner Whitted算法一致时，加速算法所需时间比Turner Whitted算法至少少百分之二十。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文的研究内容

2 相关技术分析

2.1 线段树与包围盒

2.2 光源与光照模型

2.3 几何物体相交性测试

2.4 本章小结

3 渲染器需求分析

3.1 目标用户需求分析

3.2 功能需求分析

3.3 性能需求分析

3.4 本章小结

4 渲染器设计

4.1 加速光线跟踪算法设计

4.2 系统架构设计

4.3 系统功能设计

4.5 本章小结

5 渲染器的实现与测试

5.1 开发环境和工具

5.2 场景对象的实现

5.3 渲染实现

5.4 加速算法的实现

5.5 加速算法速度提升测试

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献