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真实感虚拟场景中光线跟踪算法的应用与改进

张璐  
【摘要】: 计算机图形学(CG)经过了30多年的发展,已然成为了计算机科学中最为活跃的分支之一,它的一个主要而核心的目的就是利用计算机产生赏心悦目的真实感图形,因而真实感图形学作为计算机图形学的一个重要分支应运而生,长期活跃在科学研究的舞台之上。 光线跟踪算法是计算机真实感图形学中的一个核心算法,它对真实感图像的生成具有非常重要的贡献,同时此算法也可作为一个基础理论应用到很多具体的方面。本文首先介绍了真实感图形学以及真实感图形学涉及到的一些基础而重要的概念,譬如颜色模型、消隐、纹理映射、光照模型等等,然后再着重对作为全局光照模型的典型代表的光线跟踪算法原理进行讨论和阐述。 光线跟踪算法可以模拟场景中直接光源或环境光在物体表面产生的镜面反射、折射透射和阴影现象,给观察者一种真实的视觉效果,因此本文对光线跟踪在各种视觉效果的贡献上进行了讨论,并介绍了为生成各种真实感的视觉效果,光线跟踪在算法思想上是怎样的构建的,本文也开发了一个基于Visual C++平台的光线跟踪系统,对光线跟踪在真实感场景生成上的应用进行实现,成功模拟实现了由光线跟踪算法达到的隐藏面(线)消除、镜面反射、折射透射和真实感阴影生成的效果。 由于光线跟踪从算法原理上势必要做到对每条入射光线进行跟踪,还要计算光线与场景中每个物体的求交情况和具体的交点情况,因此计算量庞大,造成光线跟踪的速度缓慢,从而制约了光线跟踪在大规模复杂场景中或虚拟现实系统中达到实时或准实时的渲染效果,针对这个问题,本文最后对光线跟踪算法的加速进行了讨论,提出了一种可以达到准实时光线跟踪的加速算法,并对其加速效果进行验证和比对。


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