计算机图形学全局光照及方法,实时全局光照渲染研究

摘要：

真实感绘制技术作为计算机图形学的一个重要组成部分,致力于使用计算机对现实世界进行准确模拟,将三维场景渲染成非常真实的图像.计算机渲染的图像的真实感很大程度上是由其采用的光照模型决定的.全局光照模型相比于局部光照模型不仅包括从光源发出的直接光照的作用,还需考虑场景物体间反射和折射等间接光照的因素,因此渲染的结果要远优于局部光照.能实现真实光照效果的全局光照渲染技术吸引了国内外众多学者的关注和研究.作为全局光照渲染技术的重要方法,光线跟踪相比于其他全局光照算法是完全按照光学原理来进行光照的处理和渲染的,从理论上具有更优越的真实性.然而传统的光线跟踪算法需要处理和计算的光线数量过于巨大,使得完全模拟全局光照的光线跟踪很难应用于游戏和虚拟现实等实时渲染领域.光线跟踪的加速结构能有效降低光线跟踪中光线与物体求交这一性能瓶颈的计算次数,从而提升性能.目前加速结构有以KD树为代表的空间加速结构和以BVH(层次包围盒)为代表的层次加速结构,其中BVH更适用于动态场景,且易于在GPU上实现.本文的研究目标为在保持较高渲染质量的前提下,通过对现有光线跟踪加速结构进行进一步地研究和改进,并基于NVIDIA的OptiX光线跟踪引擎的GPU高性能,实现全局光照渲染实时性的提升.本文的主要工作和成果为:对近年BVH加速结构的代表性改进方法SBVH和LBVH进行了重点研究,基于LBVH的快速GPU构建算法,结合SBVH方法的三角面分割思路,并对BVH的结构进行优化,得到了兼有LBVH的快速构建和SBVH高质量遍历性能优点的改进BVH方法.该方法在接近LBVH的构建速度的同时,达到了SBVH约90%的遍历性能,在中等和小型规模的动态场景中,可以取得更优的性能.基于OptiX引擎设计出光线跟踪的GPU可编程渲染管线,基于此可编程管线可以实现其他基于光线跟踪的全局光照方法;实现了一款基于光线跟踪的全局光照渲染器,支持多种材质,实验表明其渲染质量不弱于基于CPU的Mitsuba渲染器,且渲染速度平均约为其7倍,对于中小规模的场景,可达到交互式或实时的级别.

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