基于GPU加速的光线跟踪体绘制算法研究

光线跟踪算法是真实感图形学中体绘制的主要算法之一,本文分析了基于GPU的光线跟踪技术的实现原理,设计了基于流的GPU光线跟踪体绘制方法。根据设计的三个实验场景所包含的三角形面片数,在2种不同分辨率下,分别实现GPU和CPU的光线跟踪绘制。通过实验结果比较、分析,发现随着场景复杂度的增加,基于GPU加速的光线跟踪算法将明显优于CPU上的算法。     

动态栅格划分的光线追踪场景绘制

针对利用光线追踪方法进行真实场景绘制过程中计算量过于复杂的问题,提出了一种根据空间内部图元分布情况进行动态栅格划分的方法,节省了那些并无成效的栅格划分所引起的多余计算量.该方法首先将模型所在的空间进行一次均匀栅格划分,计算出每个栅格中图元的数量;判断栅格中的图元数量是否达到该栅格的饱和状态,若达到了该状态,那么就停止该栅格的划分,反之对该栅格进行再一次的均匀划分,直到它子栅格的图元数量到达饱和状态为止,得到最后的栅格树.在处理光线-图元相交过程中,对该栅格树进行遍历,直到检测到光线与离视点最近的图元相交为止.该方法在各种模型上通过对比实验结果表明,性能比传统均匀栅格方法提高了60%左右.     

基于光线跟踪的焦散模拟生成算法

针对普通光线跟踪无法绘制出焦散效果的情况,提出了基于光线跟踪的焦散模拟生成算法。该算法首先从光源位置对场景进行绘制跟踪并获得焦散数据,接着将焦散数据通过坐标变换投射到正常视点的屏幕中,并与正常视平面上原有的亮度值进行叠加,从而生成具有焦散效果的图像,最后使用高斯滤波方法对图形进行滤波处理获得最终图像。通过对比,焦散模拟生成算法比普通的光子映射方法在效果差别不大的情况下帧速率有了明显的提高。实验表明,基于光线跟踪的焦散模拟生成算法可以逼真地绘制图像,同时能达到较高的帧数率。     

基于手势的交互式三维场景并行光线跟踪绘制研究

利用光线跟踪可以绘制出高质量的真实感场景画面,但计算量很大,难以实现实时交互式绘制.为此,三维真实感场景的实时交互式绘制往往需要用到集群,但集群的绘制速度是由绘制速度最慢的节点决定的,如果节点之间的任务没有被划分均匀,集群的绘制效率就会下降.为了满足实时交互式绘制的要求、提高集群的绘制效率,设计了在粗粒度和细粒度两个层次上同时实现并行计算的集群绘制系统,并针对集群的负载均衡问题提出了基于像素递归深度的负载均衡方法.该方法首先统计出每个像素的递归深度从而得到整个场景的递归深度图,然后对上一帧按递归深度进行均衡划分.根据连续两帧所对应的场景具有的时空相关性,上一帧的划分结果可作为下一帧划分的依据.本算法的优势在于能够快速实现三维动态场景下的集群负载均衡.实验表明,该集群绘制系统可以高效地实现基于Kinect的实时交互式绘制.     

二级光线跟踪的并行计算

基于图形处理器(GPU)体系架构研究二级光线跟踪技术,使其交互式地绘制出真实感极强的图像.基于二级光线的特性和GPU体系结构的特点,提出以下技术:具有高并行度的加速结构快速构造方法;二级光线包的自适应生成方法;自适应的并行光线跟踪算法;面向优化带宽使用的数据动态管理方法等.实验表明,该方法可以最大限度地发挥图形处理器强大的并行计算能力,有效地使用硬件计算资源和存储资源,从而大大地加快二级光线跟踪的并行计算.     

基于光线分布的阴影线跟踪加速算法

传统方法假设场景光线均匀分布,降低了复杂场景的阴影线遍历性能。本文提出一种基于光线分布的阴影线遍历序列预测算法,以加快绘制性能。通过建立网格快速收集光线相交结果;利用充分采样的光线分布信息,建立一种高质量的阴影线遍历代价函数;引入基于多分辨率网格的光线贡献度,避免网格单元与节点不完全重合而导致预测精度降低。并按需的预测优先遍历节点,以减少遍历序列计算时间。实验结果显示,对于阴影线遮挡率为75%的场景,算法能减少61%的相交次数。相对于已有方法,新算法提高了预测精度,弥补了传统方法的不足。     

基于GPU加速的光速跟踪体绘制算法

采用GPU编程技术,实现加速的光线跟踪体绘制算法.将原先在CPU中进行的光线进入点计算、离开点计算和光线遍历采样等步骤,移入GPU中进行,利用GPU的高速浮点运算能力,使实时绘制成为可能.通过只绘制一个代理面,避免了使用固定管线的混合操作,从而可通过自定义的混合算法来实现各种复杂的绘制效果.     

动态场景下的基于SIFT和CBWH的目标跟踪

针对动态背景下的目标跟踪,提出了基于SIFT特征和CBWH特征的卡尔曼跟踪算法。算法利用卡尔曼滤波器预测目标的大概位置;在所在位置区域内提取SIFT特征,与第一帧和前一帧进行特征匹配,并投票获得候选目标位置;利用CBWH特征获得目标可能位置;将二者位置加权对卡尔曼滤波器预测值进行修正,得到目标位置。实验表明,所提算法取得了较好的实验结果。     

基于VRML-Java动态三维虚拟场景的建立

本文对基于VRML-Java的虚拟现实技术在动态三维虚拟场景建立中的应用进行了研究,提出和实现了VRML场景对象建模的有效方法,实现了VRML场景对象的动态生成、交互式的结构布置等功能。     

虚拟场景中的动态景物仿真

在虚拟场景中,添加适当的动态景物将大大增强场景的生动性和逼真性.针对目前虚拟场景中多为静态景物,动态景物较少,缺乏生动性问题,给出了多种动态景物仿真技术,主要包括:具有各种动作的人物动画,运行中的设备动画,烟雾、喷泉等不规则动态景物仿真方法,人物与动态景物的交互效果仿真方法等.所述方法和交互技术具有很好的实用性,容易集成到各类虚拟场景中.     

二维复杂速度结构中的射线追踪

针对二维复杂速度结构中的射线追踪,给出模型参数和追踪方法.采用该方法,能够精确地描述复杂的二维地质形体及地质构造的分界面特征,并且能够适用于各种复杂地形的情形;对不同的地层或地质体,根据其速度分布特征,采用局部网格化对其进行描述,减小了复杂地质结构在描述速度时计算机所需要的内存量,进一步提高了计算速度.本射线追踪方法不仅可以对复杂模型的反射波及回折波进行追踪,而且可以利用“微折射”方法对目标界面的首波进行追踪.     

井间层析成像混合最短射线追踪旅行时反演

传统的曲射线追踪方法存在一定的缺陷,弯曲法得到的旅行时可能收敛到局部最小而不是全局最小。为了使其得到较好的射线路径,本文介绍一种方法对弯曲法进行修改。其起始猜测路径采用由SPR得到的曲折射线,这样既可以获得全局最小走时,又避免了SPR方法的射线路径不够光滑,相当于对SPR所得射线路径做平滑处理。射线追踪路径实例和井间地震层析成像模型反演表明,这种混合方法效果很好。     

三维多步FMM射线追踪在正态分布速度地层模型中的应用

三维多步FMM(Fast Marching Method)是一种基于网格追踪多个反射和透射相位的数值算法,通过有限差分法解程函方程来获取地震波走时后,从接收器开始反向沿着射线路径对走时场进行积分来获取射线路径,以精度高、速度快、适应性强、无条件稳定等特点而被广泛应用和研究。三维多步FMM不仅可以解决复杂介质反射波和多次波的射线追踪问题,还可以实现三维各向异性层状介质的多次波射线追踪和波前模拟。为了验证三维多步FMM在复杂模型的稳定性和灵活性,设计了随机正态分布速度地层模型,结果表明,三维多步FMM在正态分布地层模型中进行射线追踪时不仅保留着速度快、精确性高、无条件性稳定的特点,还能在速度界面处进行P波和S波的相位转换,表明了三维多步FMM是一种研究地震波在复杂介质中传播规律的快速有效的方法。!     

复杂地质模型转换波快速射线追踪方法

最小旅行时树法是目前主要射线追踪方法之一，该方法以惠更斯原理和费马原理为基础，具有适应复杂地质模型的优点，缺点是速度较慢．针对这一问题，对其初至波基本算法进行了改进，在保证精度的条件下，改进算法的计算速度显著提高，达到实用要求．然后，以P--SV波为例，给出了转换波快速射线追踪方法．模型计算结果表明，本文所提出的转换波快速射线追踪方法对复杂地质模型是切实可行的．     

基于延迟着色技术的大场景反走样渲染架构设计

为解决飞行仿真领域其视景系统对逼真、复杂场景渲染质量要求高的问题,提出基于延迟着色技术的大场景反走样渲染架构以实现全球地景及场景特效的真实感渲染,达到飞行训练的效果。本渲染架构主要解决延迟着色技术与硬件反走样技术——覆盖采样反走样（CSAA）不兼容的问题,在延迟阶段生成带CSAA反走样的多渲染目标缓存（G-Buffer）,在着色阶段通过记录在特定通道中的透明度蒙版信息进行几何体边缘恢复以进行最终的光照计算;对不同绘制组件开启不同等级的反走样等级以达到效果与效率的平衡,并利用类层次细节（LOD）模型构建技术及标记重要边界信息进行后处理等加强反走样效果。采用本渲染架构开发的视景系统,从实际训练及实验所得到的数据与效果表现上决定不同负载组件最终的采样倍数,这样系统的实时性高（>60 fps）,能达到飞行模拟视景对渲染效率的要求,减少延迟与卡顿;同时该框架反走样效果好于亚像素还原反走样（SRAA）算法,从而视景系统能达到性能与画质的最佳组合。通过实际训练与飞行模拟专家鉴定,基于该框架系统的视景系统能达到飞行仿真训练的目的。     

薄膜结构点阵投影式三维动态变形测量技术

针对常规视觉测量方法在薄膜类结构动态测量中靶标影响薄膜局部变形的弊端,提出了一种薄膜点阵投影式三维动态测量技术。此技术利用激光器将靶标投影到薄膜结构上,并基于OpenCV库（开源计算机视觉库）提出了一套三维测量算法进行薄膜结构三维动态变形测量。为了验证其三维测量精度,设计了精度检验的标准尺。在原理验证实验中检验了薄膜结构点阵投影式测量技术的三维测量精度,并以24 Hz帧率拍摄、离线处理数据的方式对薄膜结构的整体变形和波浪变形工况进行测量。精度验证实验结果证明了此技术在1 m的测量距离与1.3 m×0.8 m视场下,X、Y方向的精度小于0.30 mm,Z方向的精度约0.77 mm,同时动态测量结果能够有效复现薄膜结构动态变形过程。     

基于照片序列快速三维表面网格模型的生成算法

针对传统的基于体素的重构方法复杂度高、信息利用不充分的问题，提出了基于光线求交的三维表面多边形网格模型的生成算法，一方面使得点的生成复杂度仅与物体表面积相关，另一方面物体的空间结构信息在点重构过程中被记录下来，用于多边形网格的生成，避免了传统算法中将表面点集完全作为散乱点处理所造成的信息浪费，在不损失精度的情况下，大大减少了重构网格模型所需的时间。