基于GPU的直接体绘制算法研究与应用

摘要

直接体绘制技术可以高效地对复杂的三维体数据进行部分或整体绘制，其较高的绘制速度以及灵活性可以满足用户不同的需要。直接体绘制的结果直观、立体，但往往缺乏一定的真实感，难以满足用户日益增长的视觉要求。
　　本文基于上述背景，研究提高实时绘制算法的真实感的方法。本文选择直接体绘制技术中经典的splatting算法作为研究对象，通过研究球谐光照的相关理论，对现有的 splatting算法流程中光照模拟与实时绘制两方面进行了改进，使用GPU对改进后的算法进行硬件加速，使其能够以较高的绘制效率进行高质量的图像绘制。在光照模拟方面，设计了一个合适的光照模型，该模型主要基于球谐光照理论，并考虑了对漫反射，镜面反射，以及阴影的模拟。其中，在模拟镜面反射效果时，使用基于经验的数学模型以提高计算效率，同时利用包含遮挡信息的漫反射光强值对其进行修正提高结果的真实感。通过在预计算阶段对光照模型中的函数进行球谐分解，大大降低了实时光照的计算复杂度。在实时绘制方面，为了减小splatting算法绘制结果的走样程度，本文使用了一种在视线方向进行球谐重构的方法，即在绘制过程中将视点作为一个假想光源，重构该在假想光源的作用下各体素的光强，将其作为混合阶段对片元筛选的依据，避免了使用深度测试带来的混合走样；通过光源方向的球谐重构进行高效的光照模拟，在保证一定实时性的同时，有效提高了绘制结果的真实感。为了保证基于球谐重构的 splatting算法的效率，考虑到实时绘制阶段的球谐重构具有较大的运算开销，将片元的球谐重构计算转移到GPU中加速进行，不仅减少了CPU与GPU之间的数据传送开销，也明显提高了渲染速率。通过实验结果证明，本文使用的方法可以应用于复杂模型的实时渲染，在光源实时变动的情况下，不仅实现了包括漫反射，阴影在内的一系列光照效果，并且明显减小了绘制结果的走样程度。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2课题研究目的与意义

1.3本文工作

1.4章节安排

第二章 Splatting算法及分析

2.1体绘制算法原理

2.2 splatting算法的理论基础

2.3 splatting算法流程

2.4 splatting算法的应用及存在问题

第三章 球谐函数及光照模拟

3.1球谐函数简介

3.2基于球谐基函数的函数重建

3.3体绘制中常用的光照模型

3.4渲染方程及球谐光照

第四章 Splatting算法中高效光照模拟的设计与实现

4.1光照模型的作用对象

4.2光照模型的模型建立

4.3光照模型的预计算求解

4.4光照模拟在GPU中的实现

4.5实验结果及分析

第五章 基于球谐重构的splatting算法设计与实现

5.1体绘制算法的问题

5.2基于球谐重构的splatting算法

5.3 GPU加速及效率分析

第六章 结论与展望

6.1本文工作总结

6.2进一步的工作

致谢

参考文献