基于陰影圖的高質(zhì)量軟影實(shí)時(shí)繪制.pdf

1、陰影生成是實(shí)時(shí)繪制領(lǐng)域中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題之一。高質(zhì)量的陰影不僅可以增強(qiáng)所繪制場景的真實(shí)性，而且有助于用戶判斷場景內(nèi)物體間的相對位置關(guān)系和物體的幾何形狀?，F(xiàn)實(shí)世界中光源具有一定的面積和形狀，點(diǎn)光源產(chǎn)生的硬陰影并不實(shí)際存在，在各種圖形應(yīng)用中，如影視制作、三維游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)等，更接近真實(shí)的軟影效果受到人們的廣泛關(guān)注。近年來，隨著圖形硬件(GraphicsProcessingUnit，簡稱GPU)的快速發(fā)展，各種高效的軟影繪制算法陸續(xù)提出。但是

2、，由于軟影繪制中可見性因子計(jì)算的復(fù)雜性，如何實(shí)時(shí)繪制接近物理真實(shí)的軟影是實(shí)時(shí)繪制領(lǐng)域中非常具有挑戰(zhàn)性的課題。本文圍繞易于GPU實(shí)現(xiàn)且效率與場景幾何復(fù)雜度無關(guān)的陰影圖算法，以實(shí)時(shí)繪制高質(zhì)量光滑軟影為目的，深入分析了百分比鄰近濾波軟影算法、軟陰影圖算法、預(yù)濾波陰影圖算法和多視點(diǎn)陰影圖算法等主流軟影繪制算法，從軟影的真實(shí)感、繪制效率兩個(gè)角度出發(fā)，提出了一系列新穎的軟影繪制算法。具體如下:
　　1.為了高效繪制大規(guī)模復(fù)雜場景的軟影，提出了

3、一種預(yù)估計(jì)分辨率的虛擬軟影圖算法。該算法通過用戶測試建立一個(gè)軟影圖分辨率預(yù)測模型，進(jìn)而使用場景所需的最低分辨率來繪制軟影，在保持實(shí)時(shí)或交互繪制效率的前提下，避免了陰影圖算法的離散走樣問題。同時(shí)，該算法采用的高質(zhì)量陰影濾波方法能夠同時(shí)保證大面積半影的光滑過渡以及高頻尖銳變化區(qū)域的各向異性反走樣效果。
　　2.提出了指數(shù)軟影圖算法，把指數(shù)陰影圖理論全面擴(kuò)展至百分比鄰近濾波軟影框架。通過使用自適應(yīng)橢圓濾波核逼近算法，可以在區(qū)域求和表上進(jìn)

4、行各向異性反走樣。算法中提出了區(qū)域求和表柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可避免數(shù)值溢出并將數(shù)值精度控制在指定范圍內(nèi)，解決了陰影濾波時(shí)因數(shù)值穩(wěn)定性而產(chǎn)生噪聲的問題;而且，由于它的建造效率不受分辨率影響，使得該算法可以使用高分辨率陰影圖實(shí)時(shí)繪制大規(guī)模場景，擴(kuò)展了預(yù)濾波軟影算法的應(yīng)用范圍。
　　3.提出了一種基于掩碼的多層陰影圖遮擋物輪廓邊背投軟影算法，解決了由于輪廓邊背投軟影圖算法中可見性因子計(jì)算誤差導(dǎo)致的過陰影和光滲等繪制瑕疵的問題。該算法通過計(jì)算光

5、源掩碼的深度復(fù)雜函數(shù)獲得更準(zhǔn)確的可見性因子，解決了輪廓邊背投算法中存在的過陰影問題;將光源掩碼計(jì)算與多層陰影圖算法結(jié)合解決了光滲問題，最終生成更高質(zhì)量的光滑軟影。
　　4.在多視點(diǎn)陰影圖框架下，提出了一個(gè)基于快速百分比鄰近濾波的高質(zhì)量軟影算法，可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生接近物理真實(shí)的軟影效果。通過多尺度陰影圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)精簡搜索區(qū)域，提升了遮擋物深度估計(jì)的正確性;使用基于GPU的線性四叉樹遍歷算法快速計(jì)算遮擋物平均深度，大量節(jié)省了紋理采樣開銷;最后

6、采用光滑陰影濾波算法，將像素間陰影濾波核的細(xì)微變化反映到可見性計(jì)算當(dāng)中。
　　5.在多視點(diǎn)陰影圖框架下，提出了一種圖像后處理的實(shí)時(shí)軟影繪制算法。通過陰影遮擋函數(shù)的傅里葉分析和與坐標(biāo)軸對齊的像素光源場濾波核理論，計(jì)算得到一個(gè)屏幕空間自適應(yīng)高斯濾波核，將鄰近像素之間遮擋物信息的連貫性反映到圖像空間高斯濾波中，大量減少了光源采樣點(diǎn)的數(shù)量。這種方法避免了其它軟影算法中的各種近似假設(shè)，當(dāng)光源采樣點(diǎn)增加時(shí)，可收斂至精確的物理真實(shí)軟影。