基于陰影圖的高質(zhì)量軟影實時繪制.pdf

1、陰影生成是實時繪制領域中的難點和熱點問題之一。高質(zhì)量的陰影不僅可以增強所繪制場景的真實性，而且有助于用戶判斷場景內(nèi)物體間的相對位置關系和物體的幾何形狀。現(xiàn)實世界中光源具有一定的面積和形狀，點光源產(chǎn)生的硬陰影并不實際存在，在各種圖形應用中，如影視制作、三維游戲、虛擬現(xiàn)實等，更接近真實的軟影效果受到人們的廣泛關注。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算的復雜性，如何實時繪制接近物理真實的軟影是實時繪制領域中非常具有挑戰(zhàn)性的課題。本文圍繞易于GPU實現(xiàn)且效率與場景幾何復雜度無關的陰影圖算法，以實時繪制高質(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、預濾波陰影圖算法和多視點陰影圖算法等主流軟影繪制算法，從軟影的真實感、繪制效率兩個角度出發(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)模復雜場景的軟影，提出了

3、一種預估計分辨率的虛擬軟影圖算法。該算法通過用戶測試建立一個軟影圖分辨率預測模型，進而使用場景所需的最低分辨率來繪制軟影，在保持實時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，該算法采用的高質(zhì)量陰影濾波方法能夠同時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)陰影圖理論全面擴展至百分比鄰近濾波軟影框架。通過使用自適應橢圓濾波核逼近算法，可以在區(qū)域求和表上進

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)結構，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時繪制大規(guī)模場景，擴展了預濾波軟影算法的應用范圍。
　　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算誤差導致的過陰影和光滲等繪制瑕疵的問題。該算法通過計算光

5、源掩碼的深度復雜函數(shù)獲得更準確的可見性因子，解決了輪廓邊背投算法中存在的過陰影問題;將光源掩碼計算與多層陰影圖算法結合解決了光滲問題，最終生成更高質(zhì)量的光滑軟影。
　　4.在多視點陰影圖框架下，提出了一個基于快速百分比鄰近濾波的高質(zhì)量軟影算法，可以實時產(chǎn)生接近物理真實的軟影效果。通過多尺度陰影圖數(shù)據(jù)結構精簡搜索區(qū)域，提升了遮擋物深度估計的正確性;使用基于GPU的線性四叉樹遍歷算法快速計算遮擋物平均深度，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微變化反映到可見性計算當中。
　　5.在多視點陰影圖框架下，提出了一種圖像后處理的實時軟影繪制算法。通過陰影遮擋函數(shù)的傅里葉分析和與坐標軸對齊的像素光源場濾波核理論，計算得到一個屏幕空間自適應高斯濾波核，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，當光源采樣點增加時，可收斂至精確的物理真實軟影。