【摘要】：近年來,真實感圖形繪制在現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來越廣泛。作為真實感圖形繪制的重要手段,全局光照明繪制技術(shù)一直是計算機圖形學(xué)的一個重要研究方向,它通過復(fù)雜的計算在位置、形狀、材質(zhì)、介質(zhì)和光能輻射傳輸?shù)确矫婺M或逼近光的物理行為,構(gòu)成了工業(yè)設(shè)計、影視娛樂、虛擬現(xiàn)實等需要高質(zhì)量真實感圖像的應(yīng)用的根基之一。由于高精度的全局光照明繪制涉及龐大的計算量,人們提出了形形色色的算法嘗試從不同思路來高效求解這一復(fù)雜問題。近年提出的大量光源全局光照繪制技術(shù)是其中非常有潛力的一個創(chuàng)新解決方案,它使用大量虛擬光源來模擬真實光源經(jīng)物體多次反射后產(chǎn)生的間接光照效果,實現(xiàn)了高效率、可伸縮的全局光照明繪制,使得用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求自主調(diào)節(jié)繪制質(zhì)量和效率之間的平衡。然而,該技術(shù)在大量光源的收集、out-of-core場景的繪制和視點子光路的重建等方面存在重大挑戰(zhàn),仍然需要數(shù)分鐘甚至幾十分鐘,才能繪制一張高精度的圖像。本學(xué)位論文主要研究大量光源全局光照明的高效計算問題,重點解決大量光源光傳遞矩陣和繪制點入射光場光傳遞矩陣的表示、采樣和重建等難題,以高效地實現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量的全局光照繪制。論文創(chuàng)新提出了四個新的繪制方法,即:使用稀疏采樣結(jié)合矩陣分離的方法來加速非介質(zhì)場景的大量光源繪制,使用自適應(yīng)采樣結(jié)合矩陣還原的方法來加速帶介質(zhì)場景的大量光源繪制,對入射光場構(gòu)建光傳遞矩陣并進行稀疏采樣與重構(gòu)來加速入射光場的重建,以及借助GPU(圖形處理器)的out-of-core(基于外存)繪制框架來實現(xiàn)大規(guī)模場景的大量光源全局光照繪制。這些方法有效克服了傳統(tǒng)技術(shù)的不足,且效率提升了一個量級。論文的主要貢獻包括:·提出了非介質(zhì)場景大量光源高效繪制技。該技術(shù)創(chuàng)新將非介質(zhì)場景大量光源收集問題轉(zhuǎn)化為稀疏重建光傳遞矩陣元素的可見性函數(shù)問題,通過解耦光照和可見性計算來充分利用非介質(zhì)場景可見性的局部耦合性,從而提高計算效率。我們的方法構(gòu)造了一組可見性預(yù)測器,成功從稀疏的樣本還原出所有矩陣的可見性,并引入矩陣分離方法,有效去除了稀疏的可見性誤差,并還原出高頻的陰影細節(jié)。該技術(shù)在保留光照細節(jié)的同時,極大加速了計算,繪制速度較現(xiàn)有方法提高了 7倍�！ぬ岢隽撕橘|(zhì)場景大量光源高效繪制技術(shù)。該技術(shù)創(chuàng)新將含介質(zhì)場景大量光源收集問題轉(zhuǎn)化為以虛擬點光源(VPL)和虛擬線光源(VRL)段為列、以繪制點和視線段為行的矩陣的列積分計算問題,為了挖掘介質(zhì)間接折射的局部耦合性來加速計算,我們提出了自適應(yīng)矩陣列采樣與填充技術(shù),僅使用稀疏樣本就實現(xiàn)了含介質(zhì)場景大量光源高精度高效繪制,相較于現(xiàn)有方法,效率提升了一個量級�！ぬ岢隽死L制點處入射光場的高效重建技術(shù)。該技術(shù)創(chuàng)新提出采樣光場的重要性度量來均衡離散光場,將入射光場重建問題轉(zhuǎn)化為入射光場光傳遞矩陣的稀疏填充問題。利用相鄰像素間相同入射方向的光照耦合性,自適應(yīng)采樣、稀疏填充并快速聯(lián)合濾波入射光場光傳遞矩陣,實現(xiàn)了繪制點入射光場的高質(zhì)量快速重建。與現(xiàn)有方法相比,無論在質(zhì)量上還是效率上都有很大提升�！ぬ岢隽舜笠�(guī)模場景大量光源高效繪制技術(shù)。該技術(shù)首先將含out-of-core幾何和光源數(shù)據(jù)的大規(guī)模場景大量光源繪制問題轉(zhuǎn)化為光傳遞子矩陣的規(guī)劃遍歷問題,進而根據(jù)矩陣元素和幾何的空間局部性,自適應(yīng)劃分子矩陣和幾何數(shù)據(jù),將最小化數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)劃繪制順序問題轉(zhuǎn)化為圖路徑搜索問題來處理,首次實現(xiàn)了支持out-of-core光源和幾何數(shù)據(jù)的大量光源并行繪制,將可支持的場景規(guī)模提高了一個數(shù)量級,并比基于內(nèi)存的CPU算法效率提升了一個數(shù)量級。
[Abstract]:In recent years, realistic graphics rendering is more and more widely used in modern production and life. As an important means of realistic graphics rendering, global illumination rendering technology has always been an important research direction of computer graphics. It simulates the position, shape, material, medium and light radiation transmission through complex calculations. The physical behavior of approaching light constitutes one of the foundations of applications requiring high-quality realistic images in industrial design, film and television entertainment, and virtual reality. As high-precision global illumination rendering involves a huge amount of computation, various algorithms have been proposed to solve this complex problem efficiently from different perspectives. The global illumination rendering technology with a large number of light sources is one of the most promising innovative solutions. It uses a large number of virtual light sources to simulate the indirect illumination effect of the real light source after multiple reflections of the object. It achieves high-efficiency and scalable global illumination rendering, so that users can be independent according to different application requirements. However, this technique poses great challenges in the collection of a large number of light sources, the rendering of out-of-core scenes and the reconstruction of sub-light paths of viewpoints. It still takes several minutes or even tens of minutes to produce a high-precision image. This dissertation mainly studies the global illumination of a large number of light sources. Efficient computation focuses on the representation, sampling and reconstruction of a large number of light source light transfer matrices and point-to-point incident light field light transfer matrices to achieve large-scale, high-quality global illumination rendering efficiently. A large number of light sources are rendered in the medium scene. Adaptive sampling and matrix reduction are used to accelerate the rendering of large numbers of light sources in the medium scene. The light transfer matrix is constructed for the incident light field and sparse sampling and reconstruction are used to accelerate the reconstruction of the incident light field. The out-of-core (based on external memory) rendering framework of GPU (graphics processor) is also used. These methods effectively overcome the shortcomings of traditional techniques and improve the efficiency by an order of magnitude. The main contributions of this paper are as follows: (1) Propose an efficient rendering technique for large number of light sources in non-dielectric scenes. The problem of visibility function of optical transfer matrix elements is solved by decoupling illumination and visibility calculation to make full use of the local coupling of visibility in non-media scenes and improve the computational efficiency. This technique not only saves the illumination details, but also speeds up the calculation greatly. The rendering speed is 7 times faster than that of the existing methods. An efficient rendering technique for a large number of light sources in a medium-containing scene is proposed. To solve the problem of column integral calculation of matrix with virtual point source (VPL) and virtual line source (VRL) segments as columns and drawing points and line of sight segments as rows, an adaptive matrix column sampling and filling technique is proposed to speed up the calculation by mining the local coupling of indirect refraction of media. Large amounts of light in media-containing scenes are realized by only using sparse samples. Compared with the existing methods, the efficiency of source high-precision and high-efficiency rendering is improved by an order of magnitude.... A new efficient reconstruction technique of incident light field at rendering point is proposed. The importance measure of sampling light field is proposed to balance the discrete light field. The reconstruction problem of incident light field is transformed into the sparse filling problem of the light transfer matrix of the incident light field. The light coupling between adjacent pixels in the same direction of incidence, adaptive sampling, sparse filling and fast joint filtering of the incident light transfer matrix can achieve high-quality and fast reconstruction of the incident light field at the rendered point. First, the problem of large-scale scene light source rendering with out-of-core geometry and light source data is transformed into the problem of planning traversal of light transfer sub-matrix. Then, according to the spatial locality of matrix elements and geometry, the sub-matrix and geometric data are adaptively partitioned to minimize the planning and rendering order of data transmission. The problem is transformed into a graph path search problem. For the first time, a large number of light sources supporting out-of-core and geometric data are rendered in parallel, which improves the scale of the supported scene by an order of magnitude and improves the efficiency of the memory-based CPU algorithm by an order of magnitude.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41

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本文編號：2247847