光線跟蹤繪制中的光路重用技術(shù)研究.pdf

1、真實感圖形繪制是計算機(jī)圖形學(xué)最重要的問題之一，而蒙特卡洛光線跟蹤是真實感圖形繪制中最主流的方法。該方法可以處理任意的光源類型、場景表達(dá)、紋理材質(zhì)、以及照相機(jī)設(shè)置。其缺點是計算復(fù)雜度較高，繪制性能較低。光路重用是提高蒙特卡洛光線跟蹤算法性能的重要途徑。通過重用一部分光路，可以將一條光路多次用于光能傳輸?shù)墓烙?，從而降低采樣的平均成本。另一方面，通過選擇較為重要的光路進(jìn)行重用，也可以實現(xiàn)一定程度的重要性采樣。
　　根據(jù)重用光路采樣類型的

2、不同，光路重用技術(shù)主要分為三類。由視線或光線方向生成的光路出發(fā)，重用反向光路進(jìn)行連接，從而生成一條完整光路的，稱為雙向光路重用。將原光路采樣前半部分與另一條同向光路后半部分的光路進(jìn)行連接生成完整光路的，稱為單向光路重用。在二維圖像空間內(nèi)，對光路采樣的估計結(jié)果，也就是著色值，進(jìn)行直接重用的，稱為圖像空間著色重用，也等價于對于整條光路的直接重用。
　　本文系統(tǒng)地研究了蒙特卡洛光線跟蹤框架中的光路重用問題。三個主要工作涵蓋了三種不同類型

3、的光路重用，分別是解決了雙向光路重用中的估計偏差問題，分析并減輕了單向光路重用中協(xié)方差對于估計方差的影響，以及利用二維圖像空間中光路采樣結(jié)果的一致性提出了高性能的毛發(fā)繪制算法。具體來說，本文包含如下內(nèi)容:
　　(1)針對雙向光路重用，提出了一個新的光子采集方法來替代之前光子映射算法中的密度估計，從而得到無偏的繪制結(jié)果。會單獨處理每一個光子，將光子所代表的光線與進(jìn)行采集的視線相連，來形成一條完整的光路。這個連接可以被理解為一次俄羅斯

4、輪盤事件，其成功概率是一個積分。由于這個連接的概率出現(xiàn)在最終貢獻(xiàn)估計的分母上，人們一直沒有高效的方法來避免在估計概率積分的同時引入偏差。因此提出了一個無偏的算法，利用一系列伯努利試樣來對這個概率積分的倒數(shù)進(jìn)行無偏估計。最終的方法是一個完備的無偏采樣技術(shù)，并且可以被結(jié)合到廣泛的蒙特卡洛光能傳遞算法之中。
　　(2)針對單向光路重用，研究了該類方法中光路重用的協(xié)方差對于最終繪制方差的影響。通過我們的分析可以發(fā)現(xiàn)，在此類方法中估計方差由

5、方差項以及協(xié)方差項兩部分組成。發(fā)現(xiàn)提高重建采樣率只能降低方差項部分，而對于協(xié)方差無能為力。也發(fā)現(xiàn)協(xié)方差項實際上表示了間接光照采樣在重建過程中被重用的程度。同一個間接光照采樣被越多的重建采樣所使用，其帶來的協(xié)方差項也就越顯著?；趯τ诜讲畹姆治?，提出了一個自適應(yīng)生成間接光照采樣，從而降低協(xié)方差項的方法。將這個自適應(yīng)的方法應(yīng)用到間接光場重建算法以及軸對齊的圖像空間濾波算法之中，并顯著地減輕了繪制結(jié)果中的失真。
　　(3)最后，針對圖像