本文關(guān)鍵詞：基于Renderman規(guī)范的體渲染建模與實現(xiàn)

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【摘要】：近年來,計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)與影視動漫事業(yè)的發(fā)展推動了真實感渲染技術(shù)的迅猛發(fā)展,照片級真實感的渲染圖像應(yīng)用于動漫、電影制作,為觀眾提供了震撼的視覺效果、為游戲玩家提供了身臨其境的真實感,使得真實感渲染技術(shù)在影視特效、模擬仿真、虛擬現(xiàn)實等方面有著越來越廣泛和重要的作用。材質(zhì)在真實感渲染中有著重要的作用。mental ray等當(dāng)今主流的商業(yè)渲染器都有自己的材質(zhì)系統(tǒng),它們的渲染技術(shù)也日趨成熟,尤其是實現(xiàn)難度相對較低的基本材質(zhì),比如玻璃、巖石、塑料等硬質(zhì)材料。除了這些基本的低難度硬質(zhì)材料,還有一些材質(zhì)的渲染方法與基本材質(zhì)截然不同,它們用于模擬特殊的大氣形態(tài)和環(huán)境特效,這就是參與介質(zhì)的渲染技術(shù),即體渲染技術(shù)。參與介質(zhì)是指存在于一定空間中,因充滿比較大的顆粒而對光線產(chǎn)生不可忽略影響的介質(zhì),比如煙、霧、火、云等。參與介質(zhì)的渲染則相應(yīng)稱為體渲染。光穿越參與介質(zhì)內(nèi)部受到的影響有三類：吸收、自發(fā)光、散射,有一部分光線被介質(zhì)吸收,使得強(qiáng)度減弱；一部分光線因碰撞而被改變方向,散射到四面八方；而自發(fā)光的介質(zhì)則增加光線的強(qiáng)度。硬質(zhì)材料的渲染只需計算材質(zhì)表面特征,而參與介質(zhì)充滿了整個體空間,其渲染實現(xiàn)需要對整個體空間進(jìn)行積分計算。參與介質(zhì)內(nèi)部的散射錯綜復(fù)雜,每個介質(zhì)顆粒都有散射的可能,不可能像硬質(zhì)材料的表面計算那樣去追蹤每一條光線,否則計算量將非常龐大,在常規(guī)的體渲染中我們往往忽略這種復(fù)雜的多次散射,事實證明,在多數(shù)體渲染中,多次散射的效果并不是非常明顯,只是在某些場景下效果比較突出。忽略了多次散射的體渲染即單次散射光照模型下的體渲染,是本文的重點,其核心技術(shù)是Raymarching方法。該方法用離散的方式近似實現(xiàn)了體空間內(nèi)部的積分。而對于多次散射模型下的渲染,本文研究并給出了一種可行的實時渲染方法——Multiple forward scattering,這一過程用到相位函數(shù)(Phase function),相位函數(shù)是體渲染的散射函數(shù),相當(dāng)于反射中的BRDF模型。本文采用3D貼圖產(chǎn)生體渲染的噪波——體紋理,來模擬參與介質(zhì)內(nèi)部密度分布不均勻的特性。2D貼圖利用UV坐標(biāo)將紋理貼于幾何體表面,而3D紋理充滿整個體空間,利用物體本身的坐標(biāo)系統(tǒng),所以3D紋理必需采用程序紋理,即利用程序過程產(chǎn)生體紋理,其優(yōu)點是占用內(nèi)存空間小、不會產(chǎn)生噪點。3D紋理可以作用于體渲染的顏色、自發(fā)光、濃度等通道,從各個維度對體渲染產(chǎn)生多樣的變化。本文以3ds Max的“環(huán)境與效果”模塊為主要突破口,建立了包括四種環(huán)境霧在內(nèi)的體渲染系統(tǒng),從濃度變化均勻的快速霧到利用貼圖產(chǎn)生不均勻體紋理的環(huán)境霧,再到作用于燈光的燈光霧,對體渲染進(jìn)行了比較全面的實現(xiàn)。在實現(xiàn)了體渲染的基本效果后,體渲染的速度仍然是個亟待解決的問題,由于采樣點遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于表面渲染,體渲染是非常耗時的。縱觀世界上的主流商業(yè)渲染器如VRay、prman等,體渲染速度也依然是令人頭疼的問題。提高渲染速度將是體渲染今后的研究方向和研究課題。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41

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本文編號：1163920