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冯中心：基于g p u 的大规模点模型实时渲染技术浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年2 月 摘要 基于点的图形学是计算机图形学的一个新兴研究领域。由于基于点的绘制具 有独特的优越性和实际应用价值，因此，点模型的绘制技术已经成为近年来的一 个研究热点。本文主要探讨了基于g p u 的大规模点模型的实时渲染问题，包括 其真实感渲染( 如真实感光照实时渲染、纹理映射) 、非真实感渲染( 如风格化 轮廓线绘制、带轮廓线的点画风格绘制、浮雕风格绘制、卡通渲染等) 和其他若 干特效渲染( 如景深、运动模糊、柔化边缘的阴影渲染) 。 首先，本文概述了基于点的绘制技术和可编程图形硬件技术，并详细介绍了 点模型的真实感渲染技术( 包括真实感光照渲染和纹理映射) 。由于已有的p h o n g s p l a t t i n g 技术和光线跟踪技术具有效率局限性，因此，本文采用了基于q s p l a t 算法和g p u 光照计算实现大规模点模型的真实感光照、材质实时渲染，从而平 衡了质量和效率问题。在点模型的纹理映射方面，分析了两种常用的方法：基于 点云的网格重建及纹理映射和点模型曲面的参数化及纹理映射。这两种方法都需 要一个参数化的过程，其工作量较大，效率也不高。本文提出了一种基于g p u 的可编程纹理映射实现大规模点模型的纹理映射方法，从而达到了实时渲染的要 求，同时给出了几种纹理映射实例，如木质纹理映射、方格子纹理映射、花斑纹 理映射、镂空纹理映射等。 然后，本文重点论述了点模型的非真实感渲染技术。先简述了非真实感图形 渲染技术及点模型的非真实感渲染的研究现状，着重分析了目前已有的几种点模 型轮廓线绘制及风格化轮廓线绘制方法的缺点( 如x u 方法的基于对象空间的两 遍绘制，z a k a r i a 方法的基于图像空间的象素连接、修剪及其局部特征轮廓线丢 失问题等) 。由于这些方法无法实现实时绘制，因而本文提出r 基于g p u 实现大 规模点模型的风格化轮廓线实时绘制方法。该方法在对象空间中提取得到的轮廓 线基础上，通过图像空间中的一遍卷积滤波后处理，就能实现多种风格化绘制( 如 松散风格化的轮廓线绘制、浮雕风格绘制等) ，并利用q s p l a t 等点绘制方法的 l o d 数据结构优势，用细分程度较低的一遍点绘制得到带轮廓线的点画风格绘 制效果。 最后，本文探讨了点模型的若干特效渲染( 如景深渲染、运动模糊渲染和阴 影绘制) 问题。鉴于目前已有方法的效率问题，本文采用了基于g p u 的深度模 糊因子计算和卷积滤波后处理的d o f 方法实现大规模点模型的d o f 效果模拟， 并用类似多遍绘制的前后帧混合方法实现了大规模点模型的运动模糊实时模拟。 此外，还介绍了本文采用的p c f 技术实现大规模点模型的边缘柔化的阴影映射 方法。同时给出了算法的实现和实验结果，并分析其性能优越性。 冯中心：基于g p u 的大规模点模型实时渲染技术浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年2 月 关键词：基于点的绘制( p b r ) ，点模型，图形处理器( g p u ) ，真实感渲染，可编 程纹理，风格化绘制 i i 翌耋窒i 董三尘坚竺奎垫堡皇堡型童坠鎏鲞垫查 塑鋈奎茎塑圭兰堡尘圣：坚! 篁! 星 a b s t r a c t p o i n t - b a s e dg r a p h i c si san e wr e s e a r c hf i e l do fc o m p u t e rg r a p h i c s b e c a u s eo ft h e a d v a n t a g ea n da p p l i c a t i o n o fp o i n t - b a s e dr e n d e r i n g ，r e n d e r i n g t e c h n i q u e sf o r p i n t - b a s e dm o d e l sh a v ab e c o m eah o tt o p i cf o rr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r , g p u - b a s e dr e a l - - t i m er e n d e r i n gt e c h n i q u e sf o rl a r g e - - s c a l ep o i n t - b a s e dm o d e l sa r e d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gp h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g ( s u c ha sl i g h t i n g ，t e x t u r em a p p i n g ) ， n o n - p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g ( s u c ha ss t y l i z e ds i l h o u e t t er e n d e r i n g ，s t i p p l i n gw i t h s i l h o u e t t e s ，e m b o s se f f e c t ，c a r t o o n ，e t c ) a n do t h e rs p e c i a le f f e c t s ( s u c ha sd e p t ho f f i e l d ，m o t i o nb l u r , s o f t e d g es h a d o wr e n d e r i n g ) f i r s t l y , p o i n t - b a s e dr e n d e r i n ga n dp r o g r a m m a b l eg r a p h i c sh a r d w a r et e c h n i q u e sa r e s u m m a r i z e d ，a n d p h o t o r e a l i s t i c - r e n d e r i n gt e c h n i q u e s f o r p o i n t - b a s e dm o d e l s ， i n c l u d i n gl i g h t i n g ，t e x t u r em a p p i n g ，a r ei n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r b e c a u s eo f t h el i m i t e de f f i c i e n c yo fc u r r e n tp h o n gs p l a t f i n ga n dr a y t r a c i n gt e c h n i q u e s ，w e p r o p o s ea n e f f i c i e n tm e t h o df o rr e a l - t i m e l i g h t i n g a n dm a t e r i a l r e n d e r i n go f l a r g e s c a l ep o i n t - b a s e d m o d e l sb a s e do n q s p l a ta l g o r i t h m a n dg p u - b a s e d c o m p u t a t i o no fi l l u m i n a t i o n s ot h eb a l a n c eo fq u a l i t ya n de f f i c i e n c yi sa c h i e v e d t w o c o m m o um e t h o d sf o rt e x t u r em a p p i n go fp o i n t - b a s e dm o d e l sa r ea n a l y z e d o n ei s t r i a n g u l a t i o na n dt e x t u r em a p p i n go fp o i n tc l o u d ，a n dt h eo t h e ri sp a r a m e t e f i z a t i o n a n dt e x t u r em a p p i n go fp o i n t - b a s e ds u r f a c e s p a r a m e t e r i z a t i o ni sn e e d e di nt h et w o m e t h o d s ，s ot h ec o m p u t a t i o ni sc o m p l e xa n dt h ee f f i c i e n c yi sn o th i g h a ne f f i c i e n t m e t h o df o rt e x t u r em a p p i n go fl a r g e s c a l e p o i n t - b a s e dm o d e l su s i n gg p u - b a s e p r o c e d u r a lt e x t u r e si sp r o p o s e di no u rp a p e r , a n dr e a l t i m ei n t e r a c t i o nc a nb ea c h i e v e d s e v e r a le x a m p l e so fp r o c e d u r a lt e x t u r em a p p i n ga r ea l s os h o w n ，s u c ha sw o o dt e x t u r e m a p p i n g ，c h e c k e rt e x t u r em a p p i n g ，d a p p l et e x t u r em a p p i n g ，k n i t t i n gt e x t u r em a p p i n g ， e t c a f t e r w a r d s ，n o n p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g o f p o i n t b a s e d m o d e l si s s p e c i a l l y d i s c u s s e di nt h i sp a p e r n o n - p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n gt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gc u r r e n t r e s e a r c hs t a t u so fp o i n t - b a s e dn p r ，a r eb r i e f l yd e s c r i b e da tf i r s t t h ed i s a d v a n t a g e so f s e v e r a lc u r r e n tm e t h o d sf o rs i l h o u e t t er e n d e r i n ga n ds t y l i z e ds i l h o u e t t er e n d e r i n go f p o i n t b a s e dm o d e l sa r es p e c i a l l ya n a l y z e d ，s u c ha st h eo b j e c t s p a c eb a s e dt w o p a s s r e n d e r i n gi nx u sm e t h o d ，t h ei m a g e s p a c eb a s e dp i x e ll i n k i n g ，s i l h o u e t t et r i r r m f i n g a n dp a r ts i l h o u e t t em i s s i n gi nz a k a r i a sm e t h o d b e c a u s et h e s em e t h o d sc 釉o t a c h i e v er e a l t i m er e n d e r i n g ，w ep r o p o s ea l le f f i c i e n tm e t h o df o rs t y l i z e ds i l h o u e t t e r e n d e r i n go fl a r g e s c a l ep o i n t - b a s e dm o d e l s i no u rm e t h o d ，s i l h o u e t t e sa r ec o m p u t e d i i i 翌塞竺；董三呈些竺奎望堡皇堡型童坠鎏鲨些垄 塑三奎兰至圭兰篁篁圣：竺! 耋：星 b a s e do no b j e c ts p a c e ，a n dt h eo n e - p a s sp o s t f i l t e r i n gp r o c e s s i n gi sa p p l i e dt ot h e i m a g ef r o mt h ef r a m eb u f f e r s e v e r a ls t y l i z e dr e n d e r i n ge f f e c t sc a nb ea c h i e v e d ，s u c h a ss i l h o u e t t er e n d e r i n gi nl o o s es t y l e ，e m b o s se f f e c t ，e t c b yt a k i n ga d v a n t a g eo fl o d s t r u c t u r e si np o i n t - b a s e dr e n d e r i n g ，s u c ha sq s p l a te t c ，w ea l s oa c h i e v es t i p p l i n g w i t hs i l h o u e t t e si no n e p a s sr e n d e r i n gi nl o w l e v e ld e t m l f i n a l l y , s e v e r a ls p e c i a le f f e c t so fp o i n t - b a s e dr e n d e r i n g ，s u c ha sd e p t ho ff i e l d ， m o t i o nb l u r , a n ds h a d o w , a r ed i s c u s s e di no u rp a p e r b e c a u s eo ft h el o we f f i c i e n c yo f c u r r e n tm e t h o d s ，t h e c o m p u t a t i o no fd e p t hb l u r r i n e s sb a s e d o ng p ua n dt h e p o s t f i l t e r i n gp r o c e s s i n ga r eu s e di nt h ei m p l e m e n t a t i o no fo u rd o fm e t h o df o r l a r g e s c a l ep o i n t - b a s e dm o d e l s a n dt h em o t i o nb l u re f f e c to fl a r g e s c a l ep o i n t - b a s e d m o d e l si ss i m u l a t e di nr e a l t i m eb yb l e n d i n gb e t w e e np r e v i o u sa n dc u r r e n tf r a m e st h a t i ss i m i l a rt os e v e r a l - p a s sr e n d e r i n gm e t h o d b e s i d e s ，t h ep c f t e c h n i q u ei su s e dt o r e n d e rs o f t e d g es h a d o w so fl a r g e s c a l ep o i n t - b a s e dm o d e l s ，a tt h es a m et i m e , t h e i m p l e m e n t a t i o no fa l g o r i t h m s ，e x p e r i m e n tr e s u l t sa n dh i g he f f i c i e n c ya r ea l s os h o w n k e y w o r d s ：p o i n t _ b a s e dr e n d e r i n g ( p b r ) ，p o i n t b a s e dm o d e l ，g r a p h i c sp r o c e s s i n g u n i t s ( g p u s ) ，p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r i n g ，p r o c e d u r a lt e x t u r e ，s t y l i z e dr e n d e r i n g 冯中心：基于g p u 的大规模点模型实时渲染技术 浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年2 月 1 1 引言 第一章绪论 点是最简单、最基本的几何定义实体。早在上个世纪8 0 年代，基于点的绘 制就被提出了，但是一直发展缓慢。近年来，基于点的造型和绘制技术已经越来 越受关注，成为图形学中一个新的研究热点，“基于点的计算机图形学” ( p o i n t - b a s e dg r a p h i c s ) 也常出现在一些国际会议和相关文献中。 学者们对基于点的绘制产生新的兴趣源于两个因素：( 1 ) 、计算机图形模型 的多边形复杂度在剧增，为管理、处理、操作这类大规模多边形网格的拓扑信息 带来很多困难，这使得一些处在图形学研究前沿的学者开始思考作为基本图元的 多边形的未来前途；( 2 ) 、现代3 d 数字摄影与3 d 扫描系统可以采集客观世界中 任何复杂物体的几何与外观信息，这些技术产生了海量的点采样。这些点是表示 3 d 物体的几何与外观信息的离散基元 p f i s t e r 0 4 。 基于点的计算机图形学的一般流程可以概括为点云的获取、点云的处理与建 模、点云的绘制三个阶段 p f i s t e r 0 4 。如图1 1 所示。 卞一 戮釜缀； 参数纯鬻l l 豢豢麓? 黪爨i 辫謦 图1 i 基于点的处理流程 点云的获取：点模型的主要来源是3 d 扫描仪生成的原始数据，包括深度相 机生成的深度图与激光三维扫描仪或者接触式机械探头等设备得到的大量三维 空间点位置，三维点云再配合光学照片可以得到带颜色或纹理色彩的三维实物模 型。 处理与建模：点模型的处理分前期处理以及后期处理。扫描得到的原始数据 具有噪音、拼接错位、空洞、不确定性和过度采样问题，需要经过前期处理才能 使用。前期处理的目标是从原始点云中构造出一个连续的表面模型，后期处理则 在前期处理的结果上再作进一步的造型处理，如重采样、磨光、多分辨率简化、 编辑、变形、布尔运算等操作 r e u n a n e n 0 4 ，得到各种各样的点模型。 绘制：点绘制的目标是在屏幕上输出一系列的点并构成连续的表面。从三维 冯中心：基于g p u 的大规模点模型实时渲染技术浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年2 月 离散点采样直接重建出三维空间的连续信号，对连续信号进行滤波后重新采样并 投影至二维屏幕进行光照计算。由于点模型没有拓扑关系，利于重新采样和投影 计算，因此点绘制可以加快大规模数据构成的场景的绘制过程。基于点的绘制技 术的一个特点是离散点集映射到屏幕后需要在图像空间内作图像重构处理来填 补空洞并重构物体表面。 本文主要探讨基于点的绘带l j s a i n z 0 4 过程中的实时渲染技术，包括真实感光 照渲染、纹理映射、非真实感渲染以及其他若干特效渲染( 如景深、运动模糊、 边缘柔化阴影) 。由于现代图形硬件技术的快速发展，其强大的并行处理能力和 可编程性使得大规模点模型的实时渲染成为可能。 在本文第一章，首先将综述基于点的绘制技术，使读者对其有大致了解，然 后简要介绍可编程图形硬件技术，最后给出本文的主要研究工作及其章节结构安 排。 1 2 基于点的绘制综述 1 2 1 基于点的绘制的优点 基于点的绘制和基于三角网格的绘制是两种基本的绘制方法，下面通过比较 这两种绘制方法，阐述基于点的绘制的优越性。 在许多计算机图形应用领域中，三角网格是最通用的曲面表示方式，具有简 单性和灵活性，但在某些应用中它也存在着局限和不足。很多建立在三角网格1 二 的算法要求拓扑一致的曲面，在网格处理的整个流程中维护拓扑一致使得这些算 法有时会非常复杂。而动态网格连通恰是一个拓扑关系频繁发生改变的例子，有 时为了避免极度变形后的巨大拉伸需要局部重构，有时为了对感兴趣的特定区域 提供更多的变形自由度，也需要局部重构。在这种情况下，对于那些无需全局 致的曲面拓扑关系的应用程序而言，基于点的表示允许更灵活的操作。因此，更 简单灵活的基元应该是无结构的点云或足迹( s p l a t ) ，从而无需存储维护全局一 致的拓扑信息 p f i s t e r 0 4 。 从绘制的角度看，当网格变得越来越复杂而屏幕分辨率增长相对较慢的情况 下，三角网格则不太适合。c p u 和图形硬件性能的稳定增长、廉价的内存以及 三维扫描仪的广泛使用，可生成大量的高精度几何数据( 目前包含几百万三角片 的模型已经很多) 。当三角片的数量多于屏幕象素数时，绘制如此大量的数据往 往导致一个三角形的投影区域不足一个象素。在这种情况下，传统的增量式光栅 方法则很低效，因为绘制三角形的代价高昂。因此，点更能胜任这种高度复杂模 型的绘制基元这一角色 k o b b e l t 0 4 。 銎主尘；董三呈竺墼奎壑堡皇丝型童坠堡兰苎奎 堑兰奎兰竺圭兰篁篁兰! 塑! 至! 望 作为一种曲面表示方法，基于点的曲面造型之所以受到了广泛关注，是因为 在处理高度复杂的3 d 模型时，它可以实现高效的绘制和灵活的几何处理。点采 样对象无需存储与维护全局一致的拓扑信息，因此，与三角网格相比，在处理高 度复杂、动态改变的模型时具有更大的灵活性。 1 2 2 基于点的绘制方法介绍 基于点的绘制最关键的工作是由离散点重构在屏幕上没有空洞的连续表面。 根据重构表面采用的不同技术，基于点的绘制方法可以分为两大类：基于对象空 间的点绘制方法和基于图像空间的点绘制方法，以下简要分析这两种方法。 1 2 2 1 基于对象空间的点绘制方法 r u s i n k i e w i c z 提出的q s p l a t 方法 r u s i n k i e w i c z 0 0 是基于对象空间的点绘制方 法的代表，其基本思想是：使用一个树状层次包围球数据结构存储数据，树中每 个节点包含球的位置和半径、每点处的法向量、法锥面的宽度、颜色值( 如图 1 2 所示) 。绘制时，层次树按深度优先方法递归遍历。对每个中间节点，首先判 断该球是否完全在屏幕之外或者是完全背向的，以进行可见性选择。如果该节点 至少有一部分子节点是可见的，则将该节点在屏幕上的投影大小同一个闽值进行 比较，如果大于阈值，则继续向下递归；如果小于闽值或者已经到达叶节点，则 按该节点的球位置和半径计算得到的屏幕上的位置和大小绘制一个小区域。其中 闽值的大小可由上一帧图像绘制的时间动态确定，以达到用户指定的绘制帧速率 要求。 ( a jb o u j l d i n gs p h e r eh h m a f c h ” 晦畿留怼髻州血 、， ，一o ，1 r “ 一+ l_， p “a “。d 。s ：囊 n 。_ n 蓦：j 总。o 。槲( 。b r 。) n o d “1 p “广厂i 广i = _ r i 【i = = = = 一 i j h b，k hl h w2 k -】“u 图1 2q s p l a t 的树状层次包围球数据结构 盖 尘! 尘；量三! 型塑查塑堡皇丝呈童些堡竺些查 塑! ! 奎兰至圭兰篁篁兰! ! ! 兰! ! 作为一种曲面表示方法，基于点的曲面造型之所以受到了广泛关注，是园为 在处理高度复杂的3 d 模型时，它可以实现高效的绘制和灵活的几何处理。点采 样对象无需存储与维护全局_ 致的拓扑信息，因此，与三角网格相比，在处理高 度复杂、动态改变的模型时具有更大的灵活性。 1 2 2 基于点的绘制方法介绍 基于点的绘制最关键的工作是由离散点重构在屏幕上没有空洞的连续表面。 根据重构表面采用的不同技术，基于点的绘制疗法可以分为两大类：基于对象空 间的点绘制方法和基于图像空间的点绘制方法，以下简要分析这两种力法。 1 2 _ 2 1 基于对象空间的点绘制方法 r u s i n k i e w i c z 提出的q s p l a t 方法 r u s i n k i e w i c z o o 是基于对象空间的点绘制方 法的代表，其基本思想是：使用一个树状层次包围球数据结构存储数据，树中每 个节点包含球的位置和半径，每点处的法向量、法锥面的宽度、颜色值( 如图 1 2 所示) 。绘制时，层次树按深度优先方法递归遍历。对每个中间节点，首先判 断该球是否完全在屏幕之外或者是完全背向的，以进行可见性选择。如果该节点 拿少有一部分子节点是可见的，则将该节点在屏幕上的投影大小同一个闽值进行 比较，如果大于闽值，则继续向下递归；如果小于阂值或者已经到达叶节点，则 按该节点的球位置和半径计算得到的屏幕上的位置和大小绘制一个小区域。其中 阀值的大小可由上一帧图像绘制的时间动态确定，以达剑用户指定的绘制帧速率 阈值的大小可由上一帧图像绘制的时间动态确定，以达到用户指定的绘制帧速率 要求。 b o m l d i n g s p h 目e h i e g a 3 8 g b s ) ，具各 兰耋些：董三呈竺竺奎堡堡皇堡型童坠鎏鎏垫查 塑兰查耋至圭兰堡鎏兰：竺! 兰! 星； 强大的数据吞吐能力。 ( 5 ) 支持p c ie x p r e s s 和s l i 多重g p u 技术，达到前所未有的处理效能。 ( 6 ) 提供t p u r ev i d e o 技术，全面支援h d t v 输出的v i v 0 界面，可享受到如高 级家庭剧院般的视觉效果。 1 3 2 可编程图形流水线功能介绍 可编程图形流水线的总体框架如图l 4 所示，上边的流程就是传统的图形流水 线流程。在这种通用流水线中，首先经过顶点级的光照计算和坐标变换，求出每 个顶点的光照颜色值，并将顶点坐标从世界坐标系转换到裁剪空间：然后，对每 个三角形进行光栅化处理，并对三角形顶点的颜色进行双线性插值，得到三角形 中每个象素的颜色值；接着进行纹理映射；最后进行颜色混合( b l e n d i n g ) 和雾化 效果计算，将帧缓存( f r a m eb u f f e r ) 中的结果湿示到屏幕上 f e r n a n d 0 0 3 。 絮。陵薯。p 。“麓l 驾矿掣 量圭尘：量三堑! 坚竺奎塑堡皇堡型塞坠鎏兰垫查 塑鎏查兰堡圭兰堡篁奎塑：；：旦 1 4 本文的主要研究工作与章节结构 本文主要探讨大规模点模型的实时渲染问题，包括其真实感渲染( 如真实感 光照渲染、纹理映射) 、非真实感渲染( 如风格化轮廓线绘制、带轮廓线的点画 风格绘制、浮雕风格绘制、卡通渲染等) 和其他若干特效( 如景深、运动模糊、 柔化边缘的阴影渲染) ，通过与前人的研究成果进行对照分析，提出全新的或者 改进的核心算法及实现技术，并利用这些技术实现原型系统，进而分析讨论其实 验结果。 本文的主要贡献有： 夺在分析前人基于参数化方法实现点模型的纹理映射方法的性能不足问 题后，采用了基于g p u 的可编程纹理映射方法实现大规模点模型的纹 理映射方法，从而达到了实时渲染要求。 夺分析了现有的点模型轮廓线绘制及风格化轮廓线绘制等方法的不足之 处( 如x u 方法基于对象空间的两遍绘制的效率不高，z a k a r i a 方法基于 图像空间的象素连接、修剪的效率瓶颈及其局部特征轮廓线丢失的问 题) ，进而提出了基于g p u 的卷积滤波后处理方法实现大规模点模型 的轮廓线风格化实时绘制方法( 如松散风格化的轮廓线绘制、浮雕风格 绘制) ，并利用q s p l a t 等点绘制方法的l o d 数据结构优势，提出了一种 高效的带轮廓线的点画风格绘制方法。 夺鉴于目前点模型的景深绘制、运动模糊绘制方法的效率问题，本文采用 了基于g p u 的深度模糊因子计算和卷积滤波后处理的d o f 方法实现大 规模点模型的d o f 效果模拟，并用类似多遍绘制的前后帧混合方法实 现了大规模点模型的运动模拟实时模拟。此外，还介绍了本文采用的 p c f 技术实现大规模点模型的边缘柔化的阴影映射方法。 下面简要介绍本文的章节安排。 第一章绪论。首先简要介绍了基于点的计算机图形学的产生、发展、现状及 其一般的处理流程，进而引出基于点的绘制技术。接着对基于点的绘制技术进行 综述，介绍了基于点的绘制的优点( 与基于网格的绘制做比较) 及其主要的绘制 方法( 包括基于对象空间的点绘制方法和基于图像空间的点绘制方法两大类) ， 然后讨论了基于点的绘制中的几个关键问题及目前的研究现状。由于本文提出的 核心算法都是基于g p u 实现的，因此有必要让读者了解可编程图形硬件技术。 故在第三小节，概述了可编程图形硬件的发展及可编程图形流水线功能。最后介 绍了本文的主要研究工作及其章节安排。 第二章大规模点模型的真实感实时渲染。首先介绍了点模型的真实感光照渲 染，着重介绍b o t s c h 等提出的p h o n gs p l a t t i n g 技术 b o t s c h 0 4 年1 基于点模穗的光线 量室：! ；董王呈：坚竺查堡堡皇堡型童坠堡鲨垫查 塑兰奎兰堡圭兰堡鎏圣：些耋! 星 跟踪技术 w a l d 0 5 a d a m s 0 5 。在此基础上提出了本文基于q s p l a t 算法和g p u 光照 计算的真实感光照实时渲染技术，分别给出了不同光照模型下和不同材质下的渲 染效果。然后介绍了点模型的纹理映射及其研究现状，进而提出了本文采用的基 于g p u 的可编程纹理映射方法实现大规模点模型的纹理映射方法，并给出了几 种纹理映射实例( 如木质纹理映射、方格子纹理映射、花斑纹理映射、镂空纹理 映射等) 。最后给出了算法的实现和结果，并分析讨论。 第三章大规模点模型的非真实感实时渲染。首先概述了非真实感图形渲染的 发展历史、分类及其应用，接着介绍了基于可编程图形硬件的非真实感渲染技术 ( 包括其优点及研究现状) ，在此基础上着重介绍了点模型的非真实感渲染的研 究现状，进而提出了本文采用的基于g p u 实现大规模点模型的轮廓线实时绘制 方法。在轮廓线的基础上，可以进行其他多种风格化绘制，本文依次提出了点模 型的风格化轮廓线实时绘制、带轮廓线的点画风格绘制、浮雕风格绘制等算法， 并与前人的算法进行优劣比较。最后给出了算法的实现和结果，并分析讨论。 第四章大规模点模型的若干特效实时渲染。在介绍并分析前人研究结果的基 础上，分别提出了本文所采用的大规模点模型的景深实时渲染、运动模糊实时渲 染和柔化边缘的阴影实时渲染方法，并给出了算法的实现和实验结果，以进行对 比讨论，展示本文提出的算法的优越性及其需要改进之处。 第五章结论与展望。首先对本文工作进行了总结，主要说明了其在几个方面 取得的进展以及对相应领域做出的贡献，此外还说明了目前的研究工作中存在的 问题并展望了未来的工作方向。 冯中心：基于g p u 的大规模点模型实时渲染技术 浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年2 月 第二章大规模点模型的真实感实时渲染 真实感图形渲染是计算机图形学的一个重要研究领域，光照是增强物体真实 感最重要的手段。绘制物体时，通常只有加入光照，才会有鲜明的三维效果。而 物体三维显示效果取决于光源位置、光照属性、物体材质等。目前，点模型已经 成为一种重要的造型手段，基于点的绘制也成为一种重要的形体绘制方法。这一 章将介绍点模型的真实感光照渲染及其纹理映射技术，着重介绍本文采用的基于 g p u 的可编程纹理映射实现大规模点模型的纹理映射方法。 2 1 点模型的真实感光照渲染 2 1 1 点模型的真实感光照渲染的研究现状 z w i c k e r 等提出的表面足迹法( s u r f a c es p l a t t i n g ) z w i c k e r 0 3 是一种基于点的 高质量绘制方法，可以取代基于三角网格的绘制方法绘制高度复杂的模型。尽管 采用较高精度的足迹近似方法绘制点模型，但由于它根据不够精确的法向量计算 表面光照效果，因此绘制的图像质量仍不够高。此外，由于其绘制过程中每个足 迹只与一个法向量相关联，因而导致其绘制效果与多边形网格的平面或g o u r a u d 渲染效果相似。如果使用变化的法向量和单象素光照处理，则可大大改进图像质 量。三角片网格的p h o n g 明暗着色处理就是利用三角形顶点法向量插值计算三角 形内各象素法向量，对每个象素进行光照处理，从而得到质量更好的图像。 因此，b o r s c h 等提出了p h o n g 足迹法( p h o n gs p l a t t i i l g ) b o t s c h 0 4 】，通过对每个 足迹赋予线性法向量，得到每个象素的法向量，从而得到r 具有p h o n g 明暗着色 效果的图像( 如图2 1 所示) 。 图2 1s u r f a c es p l a t t i n g ( 左) 和p h o n gs p l a t t i n g ( 右) 渲染效果对照 如果需要得到更高质量的真实感光照渲染效果，则可以采用光线跟踪方法绘 制点模型。光线跟踪方法是一种高质量的真实感图形渲染方法。g o u r a u d 或者 冯中心：基于g p u 的大规模点模型实时渲染技术 浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年2 月 p h o n g 光照模型都是局部光照模型，而采用光线跟踪方法绘制则能得到全局光照 模型下的渲染效果。光线跟踪方法通过模拟光的传播路径来确定反射、折射和阴 影等，较好地反映了真实世界。但是光线跟踪算法的效率较低，因为它需要跟踪 每一条从视点发出的光线，进行大量的光线与物体的求交测试计算。 目前，点模型的光线跟踪技术也成为一个研究热点 s e h a u f l e r 0 0 a d a m s o n 0 3 w a n d 0 3 a d a m s 0 5 w a l d 0 5 。光线跟踪算法的软件实现效率极低，还需要借助良好 的数据存储结构如八叉树、k d 树等，因此，为了提高其算法执行效率，可采用 基于图形硬件加速的方法实现，将数据结构存储在g p u 中，并直接在g p u 进行求 交测试计算。如图2 2 是采用光线跟踪方法渲染点模型的效果。 图2 2 点模型的光线跟踪渲染效果 由于光线跟踪算法的效率限制，即使借助目前的图形硬件技术，仍然无法用 它实现大规模点模型的实时渲染，血h w a l d 0 5 中基于g p u 的光线跟踪方法仅达到 了交互式绘制的速度。前面提及的p h o n gs p l a t t i n g 方法也难以实现大规模点模 型的实时渲染，因为它需要对大量的足迹进行p h o n gs p l a t 构建和绘制，计算量 也很大。因此，本文提出了一种针对大规模点模型的真实感光照实时渲染方法， 它结合了基于o s p l a t 的点绘制方法和基于g p u 的光照模型计算方法，是一种平 衡效率和质量的方法。 2 1 2 大规模点模型的真实感光照实时渲染 第一章中提及的q s p l a t 方法比较适合绘制大规模点模型，由于它采用多分 堡室竺：董三呈翌塑查壑堡皇堡型童坠鎏蝥堡蠢 塑垩奎兰至圭耋堡篁圣! 竺! 兰! 望 辨率的绘制方法，因此，可以根据用户定义的帧速率要求绘制不同质量要求的点 模型，并能达到稳定的帧速率。为了实现对大规模点模型的真实感光照实时渲染， 本文采用q s p l a t 方法绘制大规模点模型，并在g p u 上对其进行光照计算，分别 在不同光照模型和材质下进行渲染。由于q s p l a t 中每个足迹只有一个法向量， 因此，其绘制质量并不是很高。 2 1 2 。1 不同光照模型下的渲染效果 当光照到物体表面时，一部分被物体吸收，而另一部分被物体表面反射，对 于透明物体还有一部分光穿过透明体，产生透射光。被物体吸收的光能转化为热， 只有反射光和透射光能够进入眼睛，产生视觉效果。反射光和透射光的强度决定 了物体表面的亮度，而反射光和透射光中含有的不同波长光的比例决定了物体表 面的色彩。 如果有1 1 1 个光源，则合成的光照模型为： m i = i 。k 。+ ；i p i k d ( n - l i ) 4 - k a ( r i v ) “) i = 1 3 对于本身会发光的有色的表面材质，可以将各色光写成各自独立的分量的方 程。实际上，可以将光谱中某个波长的彩色光的光照模型简化写成： 1 2 i 。= i a x k a o d + f t t ；i p i 【k d o n ( n l i ) 十k s o n ( r i v ) “】 i = 1 这就是局部光照模型的方程 彭群生9 9 。 本文采用的光照模型都是局部光照模型( 如l a m b e r t 、p h o n g 、b l i n n 等) ， 关于这些光照模型的原理及其光照计算方面的问题，请参考 彭群生9 9 ，书中有 详细介绍和分析。本文采用的方法通过在顶点着色器和象素着色器上编写s h a d e r 程序，直接在g p u 上进行这些光照计算，从而起到图形硬件加速的作用。由于 q s p l a t 本身采用递归遍历树结构方法绘制点模型，因此难以利用g p u 进行加速 ( 只能加速单个足迹的绘制) ，使得其渲染效率受到了极大限制，但仍能达到实时 渲染的要求。下面对比分析不同光照模型下的渲染效果( 如图2 3 所示) 。 丝皇窒：董三呈些墼查塑篓皇丝型塞塑塞塑垫查 塑三奎兰璧圭兰堡鎏兰! 坚量兰! 星 ( a ) ( c )( d ) 图2 3 大规模点模型在不同光照模型下的渲染效果：( a ) l a m b e r t 光照模型 ( 1 ，0 6 0 2 , 2 0s p l a t s 的b u d d h a 模型) ；( b ) p h o n g 光照模型( 1 0 ，0 7 2 ，9 0 6s p l a t s 的 l u c y 模型) ；( c ) b l i n n 光照模型( 1 ，2 7 9 5 1 9s p l a t s 的d r a g o n 模型) ：( d ) 方向 光光照模型( 1 0 ，0 7 2 ，9 0 6s p l a t s 的l u c y 模型) 如上图的渲染效果显示，l a m b e r t 漫反射模型的效果最差，它只考虑理想漫 反射物体在点光源照射下的光的反射情况，比较适合用于模拟理想漫反射表面 ( 如石灰粉刷的墙壁、纸张等) 的光亮度分布。但对表现诸如金属材料制成的物 体表面的光亮度分布时，则显得非常呆板，不能表现其特有的光泽。p h o n g 模型 则考虑了镜面反射的情况，能形成一块“尖锐”的高光区域，表现出金属等材质 的光泽。p h o n g 模型是一个关于表面镜面反射光的经验模型，尽管它简单实用， 但在所绘制图形的真实感方面，尚有不足，前面提及的p h o n gs p l a t t i n g 也是如 此。p h o n g 模型假设景物表面是光滑的，这与事实恰恰相反。从微观几何形状看， 一般的景物表面均是粗糙不平的，因而，一个较为完善的光照模型不仅应反映景 l4 冯中心；基于g p u 的大规模点模型实时渲染技术浙江大学硕士学位论文2 0 0 6 年2 月 物表面的粗糙程度，而且由它所确定的表面反射光的光谱分析应能反映景物的材 料属性。b l i n n 模型则恰好具有这样的特点，它能够体现出漫反射光和柔和高光。 b 1 i n n 模型是建立在双向反射率这一概念上的，并简单地将双向反射率定义为其 漫反射分量和镜面反射分量的线性组合，其光照计算包含了反映表面材料属性的 双向反射率和光束入射的立体角，因此，其光照模拟效果更加逼真。 c o o kt o r r a n c e 模型 彭群生9 9 是比b 1 i n n 模型更加复杂的局部光照模型，能更 精确地模拟光在景物表面的反射效果，不妨一试。前面的局部光照模型仅仅考虑 了由光源引起的漫反射分量和镜面反射分量，而环境反射分量则简单地用一常数 来代替。如果要模拟光源和环境照明效果，则需要采用全局光照模型，其典型代 表有w h i t t e d 模型、h a l l 模型和辐射度模型 彭群生9 9 。全局光照模型的计算量 相当大，通常与光线跟踪技术密不可分，因此，难以实现大规模点模型的真实感 实时渲染。 最后，还给出了一个点模型的方向光光照渲染效果。方向光只有颜色和方向， 没有