GPU在实时阴影绘制中的应用

实时阴影在增强三维场景真实感方面起着非常重要的作用。阴影体算法是实时阴影绘制中效果非常理想的一种方法。但是随着场景复杂度的增加,该算法计算量比较大,将导致绘制效率的降低。另一方面,随着可编程GPU技术的发展,GPU的渲染速度远远大于CPU,为提高三维场景的渲染效率提供了更大的空间。在此基础上,介绍了一种在GPU上生成阴影体的方法,加速实时阴影绘制。利用图形硬件的图形处理单元（GPU）的运算能力和可编程性,将生成阴影体的大量计算从CPU转移到GPU,从而有效地提高实时阴影的绘制效率。     

基于GPU的网格模型平滑阴影的实时绘制

为了绘制边界平滑的阴影效果,增强虚拟场景的真实感,提出一种基于GPU的平滑阴影实时绘制的算法.该算法通过重新定义阴影轮廓线得到网格模型上的精确阴影轮廓边界,利用阴影体算法获得边界平滑的阴影区域;阴影轮廓线的计算生成及阴影Ⅸ域的绘制等过程利用GPU进行加速,可以实时绘制物体的阴影区域.实验结果表明,文中算法生成的阴影边界比已有算法更加平滑,并且在效率方面强于其他算法.     

利用反向投影实现的实时软阴影映射算法

基于阴影映射算法,提出一种利用反向投影实现的实时软阴影的新算法。算法对每个光源都产生对应的阴影图,使用阴影图作为对场景的离散化表示,引入可见因子来计算场景点的亮度信息,并采用GPU片元着色、层次阴影图、自适应精度等方法加速阴影渲染。实验表明,算法非常适合于实时渲染复杂、动态的场景,可以很好地处理遮挡物的融合,并且很容易在可编程图形硬件上实现。     

深度剥离与GPU结合的近似软影算法

针对基于阴影图算法扩展的一些近似软影算法中存在的只考虑外半影区而导致的本影区过多估计的问题,提出了一种深度剥离与GPU结合的近似软影实时绘制算法。算法利用GPU的几何着色器来提取场景物体的轮廓边并生成内半影和外半影图元,进而得到整个内外半影颜色图和深度图,最终阴影绘制的时候通过参考阴影图和内外半影图来确定每个可见像素的明暗值,从而得到比以往算法较真实的绘制效果,算法完全在GPU中实现。实验结果表明,对相对不复杂的场景,该算法可以生成较真实的软影效果,且绘制帧率完全达到实时。     

聚类立即辐射度及在增强现实中的应用

提出一种聚类立即辐射度方法,以实现增强现实等领域需要高度真实感的全局光照算法来实现实时交互的绘制效果要求。为此,改进了传统的立即辐射度方法,将大量的用于表达间接光照的虚拟点光源聚类到少量的虚拟面光源中,并使用实时软阴影算法快速计算可见性。同时,借助图形硬件GPU加速场景绘制。实验结果表明,算法在增强现实环境等领域中支持完全动态场景,且在保证良好视觉效果的前提下获得了实时绘制帧率。     

基于GPU加速的光线跟踪技术研究

随着图形处理器性能的提高及其可编程特性的发展，图形处理流水线的某些处理阶段和图形算法逐渐从CPU向GPU转移。文章介绍了可编程图形硬件基础，分析了基于GPU的光线跟踪技术的实现原理。设计的6个实验场景所包含的三角形面片数，从2016个到60960个成复杂度递增，在3种不同分辨率下，分别实现GPU和CPU的光线跟踪绘制。对实验结果比较、分析后，得到了GPU加速的光线跟踪技术的特点。     

基于GPU的光源空间平行分割阴影图算法

针对平行分割阴影图算法中当光线方向与视线方向不垂直时,场景中对象被冗余渲染到多层阴影图中的问题,提出一种基于GPU的光源空间平行分割阴影图算法.在光源空间中,利用光源视锥体将场景划分为不相交的多层区域,利用GPU为各层生成阴影图,以确保场景采样点不在多层阴影图中重复出现;同时给出了一种快速综合场景阴影效果的绘制方法,通过避免判断像素层次的操作提高了GPU的利用率.实验结果表明,文中算法解决了平行分割阴影图算法的冗余渲染问题,提高了渲染效率和场景阴影质量.     

利用深度图优化的自然光束体构建与绘制

为了模拟由散射形成的自然光束,提出基于深度图的光束体优化构建和实时绘制算法.首先把阴影体视作特殊的光束体参与计算,实现光束被物体遮挡的光照与阴影交错的效果;其次利用深度图在GPU中消除重叠的阴影体,降低填充率,优化复杂场景中多个阴影体与光束体相交情况的绘制效果.该算法将自然光束体构建中的一部分提前到预处理中完成,另一部分在GPU内核实现,提高了效率,再结合GPU上高效的散射计算绘制出动态光源产生的自然光束效果;此外,添加了大气中因散射可见的尘埃粒子的模拟,进一步增强了真实感.对动态光源下多个场景的实验结果表明,文中算法解决了散射光束中的遮挡与阴影问题,有效地模拟了光影交错的综合效果,并具有实时性.     

基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染

基于光线追踪,将屏幕图像像素分解为投射光线与场景对象交点面片辐射亮度和 纹理贴图的合成,每个面片的辐射亮度计算基于双向反射分布函数(BRDF)基的线性组合,并通 过图形处理器(GPU)处理核心并行绘制进行加速,最后与并行计算的纹理映射结果进行合成。 提出了一种基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染算法,利用GPU 并行加速,在提 高绘制效率的前提下,实现动态交互材质的全局光照实时渲染。重点研究：对象表面对光线的 多次反射用BRDF 基的线性组合来表示,将非线性问题转换为线性问题,从而提高绘制效率; 利用GPU 并行加速,分别计算对象表面光辐射能量和纹理映射及其线性组合,进一步提高计算 效率满足实时绘制需求。     

基于OpenCL的实时KD-Tree与动态场景光线跟踪

目前,基于GPU或多核CPU加速的光线跟踪算法是与硬件相关的.研究具有跨平台性能的实时光线跟踪算法既具有挑战性,又具有很强的应用价值.为此,提出一种基于OpenCL并且跨平台的动态场景实时光线跟踪绘制算法.首先通过对通用GPU并行处理性能进行发掘,将光线跟踪中KD-Tree建立、场景遍历和绘制3个过程均设计在GPU上,而CPU只负责其中各过程的调度,从而充分利用了GPU的计算性能,并有效地降低了数据传输开销;通过设计并行分区、并行SAH、紧密的数据管理以及区间性叶结点存储等算法,在GPU中高效、高质量地建立动态场景的KD-Tree,同时高质量的KD-Tree也有效地加速了场景的遍历速度.该算法以广度优先和大规模并行模式建立K D-Tree,更具通用性,既可以运行于NVIDIA GPU(CUDA GPU),也可以运行于AMD GPU.实验结果表明,文中算法可以在NVIDIA GPU和AMD GPU上对中等规模的动态场景实现实时光线跟踪绘制.     

基于GPU的快速Level Set图像分割

水平集(1evel set)图像分割方法是图像分割中的一个重要方法，但是该算法的计算量大，往往不能达到实时处理的要求。给出了利用新一代的可编程图形处理器(GPU)实现level set的加速算法。首先介绍了如何在GPU上利用片元渲染程序进行网格化的线性运算和有限差分PDE计算，把level set方法的离散化算子映射到GPU上。由于以数据流处理方式的GPU的存储访问快，具有并行运算能力，同时level set算法演化的显示不再需要把数据从CPU传到GPU，因此较大地提高了算法速度与交互显示。文中实现并测试了一个与初始化状态独立的二维level set的算子用于图像分割，并对其运算结果和性能进行了比较，结果表明该方法具有更快的速度。     

使用GPU编程的光线投射体绘制算法

将传统的光线投射体绘制算法在具有可编程管线的图形处理器(GPU)上重新实现.首先将体数据作为三维纹理保存在显存中,然后通过编写顶点程序和片段程序将光线进入点/离开点计算和光线遍历的计算移入GPU中执行,最后根据不同的采样点颜色混合公式实现不同的绘制效果.文中算法仅需绘制一个四边形即可完成三维重建.实验结果表明:在进行光照效果的重建时,该算法能够达到实时交互的绘制要求,并能实现半透明等复杂绘制效果.     

GPU加速的神经网络BP算法*

近年来图形处理器(GPU)快速拓展的可编程性能力加上渲染流水线的高速度及并行性,使得图形处理器通用计算(GPGPU)迅速成为一个研究热点。针对大规模神经网络BP算法效率低下问题,提出了一种GPU加速的神经网络BP算法。将BP网络的前向计算、反向学习转换为GPU纹理的渲染过程,从而利用GPU强大的浮点运算能力和高度并行的计算特性对BP算法进行求解。实验结果表明,在保证求解结果准确度不变的情况下,该方法运行效率有明显的提高。     

A method of Earth terrain tessellation on the GPU for space simulators

This paper presents a new distributed method for virtual Earth terrain tessellation on a graphics processing unit (GPU) for space simulator complexes. The method operates in real time in multi-object virtual scenes comprising up to two million polygons. A polygonal terrain model is constructed using triangle patches of different levels of detail on graphics cards with programmable tessellation. Patches of the same level of detail are calculated entirely on the GPU, in parallel and independently, by using a developed shader program written in the OpenGL Shading Language (GLSL). This paper also describes a patch extraction algorithm for visible Earth surface rendering and an algorithm for correcting the barycentric coordinates of tessellated patch vertices that allows triangles in the terrain model to be docked without geometric discontinuities. Based on the distributed methods and algorithms developed, a program complex for virtual Earth surface visualization was created and successfully tested. The proposed solution can also be employed in virtual environment systems, virtual labs, educational geo-applications, etc.     

A practical and fast rendering algorithm for dynamic scenes using adaptive shadow fields

Recently, a precomputed shadow fields method was proposed for achieving fast rendering of dynamic scenes under environment illumination and local light sources. This method can render shadows fast by precomputing the occlusion information at many sample points arranged on concentric shells around each object and combining multiple precomputed occlusion information rapidly in the rendering step. However, this method uses the same number of sample points on all shells, and cannot achieve real-time rendering due to the rendering computation rely on CPU rather than graphics hardware. In this paper, we propose an algorithm for decreasing the data size of shadow fields by reducing the amount of sample points without degrading the image quality. We reduce the number of sample points adaptively by considering the differences of the occlusion information between adjacent sample points. Additionally, we also achieve fast rendering under low-frequency illuminations by implementing shadow fields on graphics hardware.     

基于GPU的遥感影像数据融合IHS变换算法

提出基于图形处理单元（GPU）的遥感影像IHS融合算法,利用图形硬件的可编程渲染器和其处理数据的并行性,把IHS的正反变换映射到GPU中进行计算。应用RTT和MRT技术实现IHS正反变换中3个分量的并行渲染输出,加速计算过程。实验结果表明,在数据量较大时,该算法的处理速度比基于CPU的算法速度更快。     

Two Methods for Fast Ray‐Cast Ambient Occlusion

Ambient occlusion has proven to be a useful tool for producing realistic images, both in offline rendering and interactive applications. In production rendering, ambient occlusion is typically computed by casting a large number of short shadow rays from each visible point, yielding unparalleled quality but long rendering times. Interactive applications typically use screen‐space approximations which are fast but suffer from systematic errors due to missing information behind the nearest depth layer. In this paper, we present two efficient methods for calculating ambient occlusion so that the results match those produced by a ray tracer. The first method is targeted for rasterization‐based engines, and it leverages the GPU graphics pipeline for finding occlusion relations between scene triangles and the visible points. The second method is a drop‐in replacement for ambient occlusion computation in offline renderers, allowing the querying of ambient occlusion for any point in the scene. Both methods are based on the principle of simultaneously computing the result of all shadow rays for a single receiver point.