基于GPU的物理學(xué)光線渲染在遙感場(chǎng)景中的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、伴隨著近年來(lái)我國(guó)航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對(duì)遙感場(chǎng)景仿真可視化的渲染效果要求越來(lái)越高。光線追蹤作為一種真實(shí)顯示地物的技術(shù),能以地物真實(shí)的三維場(chǎng)景為基礎(chǔ),通過(guò)模擬光源以及周圍環(huán)境光在地物表面發(fā)生交互作用所產(chǎn)生的漫反射、鏡面反射和散射、以及介質(zhì)中產(chǎn)生的投射、折射、衰減等光學(xué)現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)物體陰影、場(chǎng)景消隱、水面波動(dòng)等復(fù)雜的特效渲染。由于光線追蹤綜合考慮了各種環(huán)境因素,能夠模擬光線在真實(shí)的物理世界中的傳輸,通過(guò)設(shè)定不同的顏色標(biāo)識(shí)各個(gè)位置的能量狀

2、態(tài),我們就能夠以可視化的方式表現(xiàn)整個(gè)場(chǎng)景中所有電磁波--包括非可見(jiàn)光--所探測(cè)的場(chǎng)景,從而真實(shí)的反映出地物的輻射傳輸特性。結(jié)合光線追蹤在地物真實(shí)結(jié)構(gòu)再現(xiàn)以及輻射傳輸過(guò)程模擬方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),光線追蹤在遙感場(chǎng)景的應(yīng)用自然越來(lái)越為人們所重視。然而在模擬大尺度、高精度遙感影像時(shí),光線與地物的求交計(jì)算帶來(lái)了大量的計(jì)算量,這不但從精度上而且從尺度上,都大大限制了光線追蹤在遙感領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　本文首先簡(jiǎn)要的介紹了光線追蹤算法中所運(yùn)用的光照明模

3、型、光線追蹤算法的流程。針對(duì)光線追蹤算法最主要的求交運(yùn)算,研究并實(shí)現(xiàn)了光線與球體、圓柱面、三角面片等二次曲面的相交算法。選擇對(duì)最常見(jiàn)的三角面片結(jié)構(gòu)的求交過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化:通過(guò)增加條件,預(yù)先判斷光線是否與三角面片相交,進(jìn)而避免由光線與物體不相交所產(chǎn)生的冗余計(jì)算,減少求交計(jì)算的耗時(shí)。
　　通過(guò)對(duì)均勻網(wǎng)格、層次包圍盒、KD-tree等主流光線追蹤加速結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)與分析,我們選取加速效率最好的KD-tree算法作為本文的場(chǎng)景加速結(jié)構(gòu)。采用SAH

4、算法作為構(gòu)建KD-tree時(shí)最佳分割平面的選取方法,從而以最小的代價(jià)完成對(duì)KD-tree的構(gòu)建。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的閱讀以及大量的實(shí)驗(yàn),我們選取8+1.3log(N)作為構(gòu)建KD-tree的最大深度,并設(shè)置求交成本與遍歷成本比為83:1作為本文系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù),以提高系統(tǒng)KD-tree場(chǎng)景組織的效率。
　　根據(jù)GPU高度并行化的特點(diǎn),依據(jù)GPU環(huán)境下的光線追蹤算法以及CUDA編程方式的約束分析,對(duì)光線追蹤算法進(jìn)行了改進(jìn)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)