虚拟场景真实感绘制关键技术研究及实现

随着计算机图形硬件、软件及相关领域研究的飞速发展,计算机图形学在真实感绘制技术方面取得了长足的进步。真实感绘制技术被广泛应用于计算机辅助设计、虚拟现实、动画制作、电影特技模拟、计算机游戏等许多方面,为社会和经济的发展发挥了重要的作用。虚拟场景的真实感和渲染的实时性是使用户产生“沉浸感”的关键环节。如何提高虚拟场景真实感受到越来越广泛的关注。人们从提高光照效果真实感、物体表面真实感、自然景物真实感等多方面进行了研究与分析,提出了一系列虚拟场景真实感绘制技术。在这些关键技术中,光照模型占据着十分重要的位置,光照模型对可见物体的颜色和光照效果建立模型计算,是在利用计算机生成真实感虚拟场景过程中的基础。本文重点研究了局部光照模型。介绍了局部光照模型中的经典光照模型并分析了其不足,在此基础上讨论实现了较完善的局部光照模型。最后研究了全局光照模型及其主流算法光线跟踪技术。为了模拟客观世界中物体表面复杂的细节,提高物体表面真实感,本文接着对纹理映射技术进行了研究,对纹理及纹理映射的基本概念、原理进行了阐述。然后重点对表现物体表面凹凸感的凹凸纹理映射进行研究,采用Sobel滤波器来处理普通颜色纹理灰度图预生成优化的法线图,最后利用shader编程实现了优化的点乘凹凸纹理映射。接下来,本文深入研究了动态天空及其包含的各种天空元素的实时仿真绘制技术。给出了根据较精确的天文模型计算太阳和月亮的位置、得到太阳颜色和月相以及绘制它们的方法。依据大气散射原理,分析了天空在各个时刻的颜色特征,通过对颜色渐变纹理图采样模拟全天不同时刻的大气瑞利散射,提出利用简化的指数函数近似模拟大气米氏散射。实现了基于Perlin噪声纹理的平面云及基于元胞自动机理论和体纹理模拟的三维云。最后本文将研究成果应用于项目开发中,设计并实现了“神话金沙”三维虚拟展示系统中动态天空子模块及部分真实感光照、凹凸材质效果。并对实现结果和性能进行了分析。