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三维虚拟展馆中的光照技术研究

徐晓旸  
【摘要】:随着虚拟现实与互联网技术的发展,三维虚拟展馆的应用领域愈发广泛。光照技术是实现虚拟展馆系统的关键技术之一,由它生成的真实感光照效果是用户沉浸感体验的重要来源。根据不同的应用目的,展馆系统设定不同的光照环境来生成对应的光照效果。受展馆中模型构成与光源构成等多方面因素的影响,传统光照技术无法完全适用。本文针对虚拟展馆中三类代表性的光照环境设定,分别为简单的点光源照明、多面光源照明以及一定数量面光源的交互式全局光照,分析现有技术在处理这些光照环境时存在的缺陷,并提出对应的解决方案。 点光源照明由图形硬件绘图管线实现,其效率受制于场景模型的绘制速度,因此模型简化技术常被引入来加速这一过程。针对传统模型简化算法无法保持模型不连续外观属性的缺陷,本文通过改进简化算法的代价函数来推迟外观畸变的产生,保持简化模型的不连续外观属性。此外,本文还给出相应的多分辨率表示结构存储简化信息。利用该结构,展馆系统能够实时重建任意分辨率的简化模型。阴影是点光源照明的重要特征,而阴影图技术是阴影生成的重要手段。为降低由虚拟人漫游引发的阴影图重建开销,本文采用模型分离策略分批重建阴影图,保证阴影图构建效率。经实验证明,结合本文模型简化技术与阴影图技术的点光源照明方案能够实时生成附带阴影效果的光照图像。 对于多面光源照明,本文先理论分析传统基于光源转换方法存在的缺陷,即这些方法会不可避免地引入采样误差;然后提出直接对面光源聚类以避免误差生成,提高光照效率。本文预先使用一棵面光源树组织场景中的所有面光源。对每个像素点,遍历该面光源树为其定位一个合适的的面光源簇划分,将划分中所有面光源簇对像素点的亮度估值和作为像素点的直接光照亮度。实验结果证明,本文的面光源聚类方法相比传统基于光源转换的方法有着更高的计算效率并且能够生成更真实的光照结果。 传统交互式全局光照算法的实现受多方面因素的限制,当场景构成比较复杂时,例如同时存在一定数量的面光源、处理漫游状态的虚拟人、具有相当复杂度的展品模型等,这些算法难以取得理想的绘制速度。为支持此类复杂环境中的交互式全局光照计算,本文提出在软件与硬件两个层面对现有技术进行改造。在软件层面,采用模型分离策略削弱虚拟人漫游对预计算光照数据的影响;在硬件层面,选择高性能GPU服务器作为具体光照计算平台,通过改进不同硬件平台之间的数据传输过程和具体的光照计算流程消除数据传输时延、提高计算并行度,保证光照计算效率。实验结果表明,本文的交互式全局光照系统对此类复杂光照环境有着良好的适应性,能够以接近实时的绘制帧率产生逼真的全局光照效果。 由于这三类光照环境设定在虚拟现实领域非常常见,本文的光照技术同样适用于其它虚拟现实应用,具有很好的实用价值与参考意义。


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