计算机图形学球谐函数,使用球谐函数实现动态环境光源下的实时绘制

摘要：

虚拟现实集先进的计算机图形学,人机交互技术,传感技术,人工智能等技术为一体,是20世纪科学技术进步的结晶.虚拟现实在医学领域,城市建设领域,航空航天领域,电子游戏领域等都有着广泛的应用.增强现实提出要将虚拟和真实的场景混合为一体,给用户提供更为真实的视觉效果.虚拟现实与增强现实已成为近年来研究和应用的热点. 真实感的图像绘制是虚拟现实中的一项重要的任务.传统的图形程序仅仅考虑点光源,方向光源或者简单的面光源.虽然这些传统光源简单而有效,但是它们绘制场景的真实度有限.于是环境光源被引入来模拟复杂的室外光照环境,展现真实世界的光照效果.环境光源直接从真实世界获得,所以在环境光源下绘制的场景比传统光源下的绘制具有更好的真实度.在环境光源下绘制要考虑所有方向上的入射光线,这就需要在半球面上做复杂的积分操作.因此在环境光源下进行绘制很难达到实时. 本文对现存的环境光照算法进行了较为深入的研究,总结了目前研究现状,并着重讨论了在实时性和真实感上存在的问题.在上述研究的基础上,本文提出了一种动态环境光照下漫反射表面的实时绘制算法.该算法使用球谐函数计算动态环境光照,利用屏幕空间环境遮挡算法来模拟柔和的阴影.本文的主要工作如下: (1)调查研究了动态环境光照相关的算法,总结了目前研究现状,分析了存在的问题,并着重讨论了它们在实时性和真实感上的不足. (2)在上述研究的基础上,提出了一种动态环境光照下漫反射表面的实时绘制算法.该算法使用球谐函数来模拟环境光源和光照在漫反射表面的传播过程.利用球谐函数的性质,将光照计算过程由积分简化为乘积和.通过对计算过程的简化,该算法可以在环境光照下实时的绘制漫反射表面. (3)使用屏幕空间环境遮挡算法在光照计算后,实时计算物体的遮挡.通过计算物体的遮挡产生柔和的阴影效果,使得绘制结果具有更高的真实感. (4)通过实验验证了上述算法的有效性.本文使用取自视频的截图来模拟动态环境光照.实验表明,本算法能够在动态环境光照下获得较好的绘制效果,并能够在模型复杂度较高的情况下实时地完成绘制.因此本文提出的绘制算法在虚拟现实领域中有一定的应用价值.

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