【摘 要】
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作为计算机图形学中最热门的研究方向之一,全局光照技术对提升虚拟场景的真实感起着至关重要的作用。但由于计算成本很高,目前的全局光照算法基本都要依赖具有高性能GPU的设备才能实时渲染虚拟场景。近几年,虚拟现实技术被应用于各个领域,其中建筑光环境设计虚拟仿真实验凭借体验式的实验过程与直观的教学演示,已经成为建筑学、城乡规划等专业重要的教学手段。为了方便学生的使用与实验教学的开展,虚拟仿真实验系统通常发布
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作为计算机图形学中最热门的研究方向之一,全局光照技术对提升虚拟场景的真实感起着至关重要的作用。但由于计算成本很高,目前的全局光照算法基本都要依赖具有高性能GPU的设备才能实时渲染虚拟场景。近几年,虚拟现实技术被应用于各个领域,其中建筑光环境设计虚拟仿真实验凭借体验式的实验过程与直观的教学演示,已经成为建筑学、城乡规划等专业重要的教学手段。为了方便学生的使用与实验教学的开展,虚拟仿真实验系统通常发布为Web项目。但浏览器所能申请到的内存和计算资源远远小于运行在PC上的客户端,目前市面上主流的3D引擎并不支持在Web平台实时渲染全局光照。而虚拟场景的真实感决定了虚拟仿真实验系统的教学质量,同时光的应用也是实验教学中十分重要的一环。因此需要设计一种支持在低性能平台实时渲染全局光照的算法。本文以用于低性能平台的实时全局光照算法为研究对象,主要工作有:(1)本文提出了一种基于虚拟点光源的可见性聚类算法,用于降低光源与场景点之间的可见性计算所消耗的计算资源。两点之间的可见性计算是全局光照算法中主要的计算成本之一,对可见性计算进行合理的简化和近似是将算法提升到实时渲染速率的关键。本文利用虚拟点光源近似计算间接光照,并根据相邻虚拟点光源之间的相似性与相邻场景点之间的相似性,对虚拟点光源到场景点的可见性信息进行聚类。实验结果证明,本文的算法在面片数较多的复杂场景中拥有较快的渲染速率,能够渲染出真实感较好的全局光照效果。(2)本文提出了一种基于KD-Tree的光森林构建算法,用于降低存在大规模光源集合的多光源场景的渲染消耗。在基于光割思想的全局光照算法中,对场景中的光源集合的聚类过程是将光源集合组织成一颗光树。光树的构建时间会随着光源数量的上升而增长,因此在存在大规模光源集合的多光源场景中光树的构建时间将成为算法性能的瓶颈。本文根据场景中光源的分布特点,利用KD-Tree将光源集合划分为若干个光源簇,在每个光源簇上构建光树。实验结果证明,本文的算法在具有大规模光源集合的多光源场景中,与其他的光源聚类算法相比效率更高,可伸缩性更强,能够在低性能平台上实时渲染全局光照。(3)设计了一个基于本文提出的实时全局光照算法的建筑光环境设计虚拟仿真实验原型系统,并通过实验评估了该系统的性能。
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