真实感虚拟场景中光线跟踪算法的应用与改进

论文摘要

计算机图形学（CG）经过了30多年的发展,已然成为了计算机科学中最为活跃的分支之一,它的一个主要而核心的目的就是利用计算机产生赏心悦目的真实感图形,因而真实感图形学作为计算机图形学的一个重要分支应运而生,长期活跃在科学研究的舞台之上。光线跟踪算法是计算机真实感图形学中的一个核心算法,它对真实感图像的生成具有非常重要的贡献,同时此算法也可作为一个基础理论应用到很多具体的方面。本文首先介绍了真实感图形学以及真实感图形学涉及到的一些基础而重要的概念,譬如颜色模型、消隐、纹理映射、光照模型等等,然后再着重对作为全局光照模型的典型代表的光线跟踪算法原理进行讨论和阐述。光线跟踪算法可以模拟场景中直接光源或环境光在物体表面产生的镜面反射、折射透射和阴影现象,给观察者一种真实的视觉效果,因此本文对光线跟踪在各种视觉效果的贡献上进行了讨论,并介绍了为生成各种真实感的视觉效果,光线跟踪在算法思想上是怎样的构建的,本文也开发了一个基于Visual C++平台的光线跟踪系统,对光线跟踪在真实感场景生成上的应用进行实现,成功模拟实现了由光线跟踪算法达到的隐藏面（线）消除、镜面反射、折射透射和真实感阴影生成的效果。由于光线跟踪从算法原理上势必要做到对每条入射光线进行跟踪,还要计算光线与场景中每个物体的求交情况和具体的交点情况,因此计算量庞大,造成光线跟踪的速度缓慢,从而制约了光线跟踪在大规模复杂场景中或虚拟现实系统中达到实时或准实时的渲染效果,针对这个问题,本文最后对光线跟踪算法的加速进行了讨论,提出了一种可以达到准实时光线跟踪的加速算法,并对其加速效果进行验证和比对。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 计算机图形学和真实感图形学
• 1.2 对光线跟踪算法研究的历史、发展前景和意义
• 1.3 本文的结构安排
• 第二章 真实感图形学相关知识的介绍
• 2.1 真实感图形
• 2.2 光照模型
• 2.2.1 颜色模型
• 2.2.2 简单光照明模型
• 2.2.3 局部光照模型
• 2.2.4 全局光照模型
• 2.3 光线跟踪算法
• 2.3.1 光线跟踪原理
• 2.3.2 算法实现
• 2.3.3 优缺点介绍
• 2.4 真实感图形学的其它重要概念
• 2.4.1 隐藏线、隐藏面消除（消隐）
• 2.4.2 纹理及纹理映射技术
• 2.4.3 阴影生成
• 第三章 基于光线跟踪的真实感研究
• 3.1 真实感场景的要素
• 3.2 基于光线跟踪的光照效果
• 3.2.1 反射
• 3.2.2 其它光照效果
• 3.3 阴影生成
• 3.3.1 基于光线跟踪的阴影生成技术
• 3.3.2 优缺点
• 3.4 基于光线跟踪的消隐实现
• 3.4.1 原理介绍
• 3.4.2 算法描述
• 3.4.3 优缺点介绍
• 第四章 光线跟踪在真实感场景中的模拟实现
• 4.1 系统结构介绍
• 4.2 核心代码展示
• 4.2.1 求交测试
• 4.2.2 局部光强计算（反射）
• 4.2.3 消隐和阴影效果的代码
• 4.3 效果展示
• 4.3.1 光线跟踪的反射和折射效果
• 4.3.2 光线跟踪的阴影和材质展示
• 第五章 光线跟踪算法的改进
• 5.1 光线求交运算
• 5.1.1 光线与面片的求交
• 5.1.2 光线与球面的求交
• 5.1.3 光线与长方体的求交
• 5.2 光线跟踪加速算法的介绍
• 5.3 一种基于内包围盒技术的光线跟踪加速算法
• 5.3.1 一种针对复杂场景的快速构造包围盒以及判断求交的方法
• 5.3.2 三次包围盒的运用
• 5.4 效果比较与验证
• 第六章 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果