三维场景实时阴影算法的研究与实现

作为能增加虚拟场景真实感的关键技术——光照和阴影实时渲染技术,在三维游戏,虚拟训练系统,三维地理信息系统等方面都有广泛的应用。然而,针对体现高真实感的软阴影算法,虽然在近3年里提出的算法众多,但是还是存在不少问题,比如无法形成自阴影、需要区分生成阴影的遮挡体和接受体,忽略光源的大小和形状、只考虑半影的内半影或外半影的渲染等等。本论文基于现代图形处理器的可编程特性,在吸取三维计算机图形学、计算几何、科学计算可视化、虚拟现实的先进理论和技术成果的基础上,对实时光照阴影技术进行了具体而系统的研究。本论文的主要研究工作有: (1)利用可编程图形硬件可编程特性,实现了基于Phong着色模型的逐像素着色光照技术及基于Gouraud着色模型的逐顶点光照技术,这种实现方式与传统的固定管道实现方式相比,具有灵活性高、真实感强的优点。另外虽然固定管道已经实现了Gouraud着色模型,但采用可编程图形硬件的纯顶点着色器实现起来速度更快。 (2)分析了目前流行的硬阴影生成算法的实现原理,比较各算法的局限性和优越性,并且针对阴影图算法中由于算法本身所带来的偏移量问题,提出了自适应偏移量算法。该算法只需设置简单的几个参数,由程序自动分析场景特性取得一个合理的偏移量,这种方法相对于目前存在的解决方案具有不再需要由程序员依据场景手动调整偏移量大小的优点。 (3)在分析已有的软阴影算法基础上,提出一种基于内外半影翼的软阴影算法,该算法扩展了chan的光滑翼算法,在物体轮廓边处构成内外半影翼,并利用了第二层向光面深度值控制内半影的生成,整个算法结合了阴影体算法及阴影图算法的特点,并且可根据光源大小自动调整半影大小。本文使用可编程图形硬件实现该算法,实现过程中充分利用图形硬件的并行处理加速的特性,使算法满足了实时性要求。 (4)最后,本文从渲染效果,渲染速度及系统运行的要求几方面与传统算法进行了分析比较。算法渲染效果比chan的光滑翼算法效果更接近于光线跟踪算法实现的物理精确效果,尤其在重叠场景中能真实反映光源、接受体及遮挡体的空间几何特征。由于算法需要计算场景轮廓边,所以渲染速度会受到场景复杂程度的影响。此外,算法中需要取得第二层向光面深度值,因此算法的运行依赖于可编程图形硬件,适应了现代图形硬件的发展趋势。