發(fā)布時(shí)間：2018-07-01 11:16

  本文選題：真實(shí)感繪制 + 高效采樣�。� 參考：《浙江大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：真實(shí)感繪制是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最重要的研究領(lǐng)域之一,它準(zhǔn)確地模擬虛擬場(chǎng)景中光能傳輸過(guò)程,以呈現(xiàn)具有真實(shí)感的虛擬世界,并被廣泛用于制造、設(shè)計(jì)和娛樂(lè)等行業(yè)。目前主要的真實(shí)感繪制方法都是基于積分方程的數(shù)值求解,即在光路的空間中隨機(jī)生成采樣并用采樣加權(quán)求和方式得到積分方程近似解。由于光路空間維度很高并且非常復(fù)雜,因此這些方法需要巨大的計(jì)算量。本文針對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景條件下的真實(shí)感繪制問(wèn)題,以高效的繪制性能為目標(biāo),在提高采樣效率方面沿著下述思路開(kāi)展了研究工作：一個(gè)思路是通過(guò)提高采樣的利用效率來(lái)提升繪制效率。在這個(gè)方向上,本文提出了兩種基于光子映射的真實(shí)感繪制方法。第一種方法是針對(duì)全局光照明繪制,用輻射照度回歸的方式提高最終收集中采樣的利用效率。非參數(shù)的回歸模型將光子映射和最終收集兩種方法的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,并用光子映射的輻射照度預(yù)測(cè)最終收集的輻射照度,從而以接近光子映射的繪制代價(jià)得到接近最終收集的繪制質(zhì)量。為解決預(yù)測(cè)失敗的情況,本文提出了一種快速的異常樣本剔除策略,并用最終收集算法計(jì)算這些異常樣本的顏色。在相似的視覺(jué)效果下,本文算法相比最終收集算法獲得了大約3倍的性能提升。在第二種方法中,針對(duì)非勻質(zhì)半透明材質(zhì)的高效繪制,通過(guò)在概率上調(diào)整光子采樣的空間分布從而提高其利用效率。該方法基于體積光子映射算法,通過(guò)概率調(diào)整光子分布的方式有效地增加視域內(nèi)的光子數(shù),從而改進(jìn)半透明材質(zhì)繪制質(zhì)量。針對(duì)概率調(diào)整引起的光子能量的不均衡問(wèn)題,本文通過(guò)在距離上和方向上對(duì)光子進(jìn)行切分,將高能量的光子細(xì)分成若干低能量的光子。在相同的繪制時(shí)間內(nèi),本文算法的繪制結(jié)果好于體積路徑跟蹤和體積光子映射的結(jié)果。另一個(gè)思路是提高單個(gè)采樣的計(jì)算效率,本文將新的并行計(jì)算模式與GPU上的大規(guī)模并行計(jì)算相結(jié)合從而提升繪制效率。在這個(gè)方向上,本文提出了一種高效的具有可擴(kuò)展性的可編程運(yùn)動(dòng)特效繪制算法。運(yùn)動(dòng)特效通過(guò)各種運(yùn)動(dòng)描繪風(fēng)格有效地呈現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)信息,是真實(shí)感繪制中運(yùn)動(dòng)模糊的擴(kuò)展。本文提出了一種GPU上的可編程運(yùn)動(dòng)特效并行繪制系統(tǒng),采用時(shí)間和圖像空間上的三維并行計(jì)算方式,大幅提高了線程間數(shù)據(jù)重用率,解決了GPU上可編程運(yùn)動(dòng)特效繪制時(shí)面臨的并行度和顯存容量的矛盾。為了解決軌跡線段之間的可見(jiàn)性沖突,本文還提出了一種基于區(qū)間切分的可見(jiàn)性算法。考慮到用戶設(shè)計(jì)可編程運(yùn)動(dòng)特效的便利性,采用預(yù)計(jì)算像素上軌跡線段的方式,以進(jìn)一步減少運(yùn)動(dòng)特效繪制的時(shí)間。
[Abstract]:Realistic rendering is one of the most important research fields in computer graphics. It accurately simulates the process of light energy transmission in virtual scene to present the virtual world with realistic sense, and is widely used in manufacturing, design and entertainment industries. At present, the main methods of realistic rendering are based on the numerical solution of integral equation, that is, random sampling is generated in the space of optical path and the approximate solution of integral equation is obtained by sampling weighted summation. Due to the high dimension and complexity of optical path space, these methods require huge computational complexity. Aiming at the problem of realistic rendering in complex scenes, this paper aims at efficient rendering performance. In the aspect of improving sampling efficiency, the following research work has been carried out: one idea is to improve the efficiency of rendering by improving the efficiency of sampling. In this direction, we propose two realistic rendering methods based on photon mapping. The first method is to improve the efficiency of sampling in the final collection by using the method of radiance regression for global illumination rendering. The non-parametric regression model combines the advantages of photon mapping and final collection, and uses the radiance of photon mapping to predict the final collected illuminance. Thus the rendering quality of the final collection can be obtained at the cost of close to photon mapping. In order to solve the problem of prediction failure, this paper proposes a fast exception sample elimination strategy, and calculates the color of these abnormal samples by the final collection algorithm. Under similar visual effects, the performance of the proposed algorithm is about three times higher than that of the final collection algorithm. In the second method, aiming at the efficient rendering of non-homogeneous translucent materials, the spatial distribution of photon sampling is adjusted in probability to improve its utilization efficiency. Based on the volume photon mapping algorithm, this method can effectively increase the number of photons in the field of view by adjusting the distribution of photons in probability, thus improving the rendering quality of translucent materials. In order to solve the problem of photon energy imbalance caused by probability adjustment, the high energy photons are subdivided into some low energy photons by dividing them in distance and direction. In the same rendering time, the proposed algorithm is better than the volume path tracking and volume photon mapping results. Another idea is to improve the computational efficiency of a single sample. This paper combines the new parallel computing model with the large-scale parallel computing on GPU to improve the rendering efficiency. In this direction, this paper proposes an efficient and scalable programmable motion rendering algorithm. Motion effects represent object motion information effectively through various motion depiction styles, which is an extension of motion blur in realistic rendering. In this paper, a programmable motion special effect parallel rendering system on GPU is proposed. The method of 3D parallel computing in time and image space is used to greatly improve the data reuse rate between threads. The contradiction between parallelism and memory capacity in programmable motion effect rendering on GPU is solved. In order to solve the visibility conflict between trajectory segments, a visibility algorithm based on interval segmentation is proposed. Considering the convenience of the user in designing programmable motion effects, the trajectory segment on the pixel is predicted to further reduce the time of motion special effect drawing.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP391.41

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本文編號(hào)：2087602