树叶真实感实时绘制方法的研究与实现

现实世界中的物体或多或少会有半透明现象,树叶就具有很明显的半透明特性,并且树木的真实感很大程度上决定于树叶的逼真程度,因此对于树叶半透明效果绘制的研究是很有必要的。然而,树木上的叶片数量很大,对其进行具有叶片半透明效果的高度真实感绘制计算复杂度高,很难达到实时。实现了一种基于半透明纹理的叶片半透明效果的绘制方法,通过预计算,并结合基于GPU编程技术,大幅度提高了绘制速度,实现了对具有半透明叶片的树木的真实感实时绘制。此外,通过阴影的绘制进一步提高了真实感效果。

Abstract：

In the real world, objects are translucent more or less. For instance, the tree leaves have translucent properties. Moreover, the visual reality of trees largely depends on the leaves, so it’s significant to study the rendering of the leaves’ translucent effect. However, most trees have large number of leaves, which makes it extremely difficult to realize the real-time rendering of the tree with translucent leaves since its high time complexity. Semi-translucent effect of leaf was realized based on semi-translucent texture. In addition, using pre-computing combined with the programming technology of GPU, the rendering process was greatly speeded up. Finally, realistic real-time rendering of the trees with translucent leaves was realized. Moreover, shadows were rendered which further improved the visual effects.     

基于双层次细节图像空间融合的地形绘制方法

为加速地表模型绘制速度,提出一种基于双层次细节图像空间融合的地形绘制方法.首先建立具有高、低细节层的地表模型,通过在图像空间计算高细节层与整个地形投影面积的比例,控制高细节层覆盖范围,把两层模型的过渡区域推向离视点较远的位置:过渡区域采用了基于图像空间的逐像素纹理混合与偏移方法,避免在图形空间建立几何过渡带计算开销过大的问题,消除两层次邻接所产生的视觉裂缝.算法在GPU设计与实现.实验表明,该方法在保持逼真视觉效果的同时,能够保持较高的三维地形绘制速度.     

基于GPU的体绘制流水线优化与预处理加速算法

提出一种基于GPU的体绘制流水线优化与预处理加速算法。对目前GPU体绘制流水线结构进行了深入地分析,为消除流水线速度瓶颈,采用自适应数据划分剔除算法对体数据进行子划分,剔除空白子块后将子数据块定义成子纹理块,然后使用体纹理打包算法VTP将子纹理块打包成适合GPU纹理内存的纹理,再依次传输至GPU纹理内存中。实验结果表明加速算法能有效提高流水线实际吞吐率,与原始算法相比,加速算法节省了40%~60%的绘制时间。     

基于GPU实时绘制多种颜色的毛发

利用顶点绘制器来实现在GPU中进行毛发渲染,加快了绘制速度。再对几何模型面片进行扫描并作不同的标示符,结合Lengyel的毛发绘制算法,实时生成多种颜色的毛发的混杂效果。我们的方法把模型切分成不同的渲染部分,通过平滑的过渡从一种毛发转到另一种毛发上。     

一种基于图像空间的碰撞检测算法

根据光线与封闭物体间的相交特性,设计并开发了一种基于图像空间的碰撞检测算法。采用VBO技术提高图形渲染速度以提高算法的性能。利用待测物体对的轴向包围盒（AABB）设置合理的视锥和视口,减少图形的绘制量,进一步提高算法性能。测试结果表明,该算法可以直接处理非凸体,处理复杂模型的碰撞检测问题实时性好、平稳性高,但是其性能受到分辨率的影响。最后讨论了将该算法扩展到多个物体间进行碰撞检测的实现策略。     

基于可编程图形加速硬件的实时光线投射算法

为了在保证绘制图像质量的基础上将体绘制算法的绘制速度提高至实时,提出一种基于可编程图形加速硬件(GPU)的光线投射算法实现(GRC,GPU-based Ray Casting)。GRC在可编程GPU中进行重采样和分类,使用矩阵逆运算以降低重采样坐标的计算复杂度,使用后分类技术以降低算法的空间复杂度。实验表明:对于2563规模的体数据,GRC能够在保证图像质量的基础,以超过30fps的速度进行绘制。     

基于空间连贯性的快速图像逆映射算法

作为基于图像绘制技术(IBR)的基础算法,图像逆映射算法克服了正向映射的诸多问题,但存在的效率瓶颈极大地妨碍了其广泛运用。提出一种用于图像逆映射的快速算法―极线模板法。该算法利用场景的空间连贯性,采用相邻参考像素的可变半径模板对极线进行裁剪,从而将单次搜索从极线复杂度降低到模板半径复杂度。而对于无法采用模板进行裁剪的像素,则根据极线几何的保序性,利用已建立映射的匹配关系,找到最近的搜索起点优化搜索。该算法简单易实现,大大降低现有算法的计算复杂度,显著提高计算效率。     

基于图像分割的胎儿超声图像面绘制方法研究

三维表面绘制是图像图形领域中的一个研究热点问题.迄今为止,人们已经提出了许多不同的表面绘制方法,其中基于二维Delaunay三角剖分算法是最常用的一种.它广泛应用于地理测绘、工业建模、医学可视化等领域,然而如何应用于胎儿健康检查尚未见报道.本文基于扇形扫描三维超声图像的成像特点,设计了一种从二雏超声图像到胎儿表面三雏绘制的方法,包括了从滤泼,分割,边缘提取,抽点到点云的三雏表面绘制的整个过程.全部程序用vC 结合OpenGL实现基于三角形网格测量数据三维场景和格网显示,图形具有平移、缩放、旋转,选择修改等功能,买验证明对于三维超声胎儿表面绘制取得了相当不错的显示效果.     

基于特征空间决策的SAR图像舰船尾迹检测算法

分析了合成孔径雷达(SAR)图像中舰船尾迹的线性特性。由于引起SAR图像线性特征的因素很多,因此针对常规Radon变换域中尾迹峰值检测的不确定性问题,提出了一种基于特征空间决策的尾迹检测算法。该算法首先门限化图像的Radon变换系数,提取出所有可能的峰值点;然后对这些相应的局部峰值的"截面"进行连续小波变换峰值匹配,再根据提取到的参数形成决策矢量在特征空间中进行决策。对仿真和实际数据处理的结果表明,该方法能有效、准确地检测到SAR图像中的舰船尾迹。     

基于虚拟失效序列样本的系统实时可靠性研究

针对一类不能获得足够数量的试验和现场使用数据的复杂系统,提出Monte Carlo(MC)实时可靠性估计方法.以系统部件失效时间序列作为样本空间,应用MC法仿真产生更多的虚拟样本,建立了虚拟样本序列下系统实时可靠性估计的一般框架,并研究了MC估计的期望和方差与先验信息之间的关系,得到了具有包含关系的信息条件下,基于较少先验信息的估计的方差不超过拥有更多先验信息的估计的方差.考虑所有部件失效时间序列和导致系统失效的部分部件失效时间序列的先验信息,分别导出了系统实时可靠性模型.最后,通过算例分析,验证了本文不同先验信息下可靠性模型的有效性和方法的合理性.     

基于分布式绘制的大幅面立体像对快速浏览技术

针对当前影像数据存储格式不能适应海量影像数据快速访问的情况,研究设计了大幅面立体像对的逻辑四叉树存储格式,并通过立体像对的逻辑四叉树剖分算法把普通格式的立体像对格式快速转换成逻辑四叉树存储格式。由于单机显示无法满足大幅面立体像对的高分辨率、高沉浸感的显示,因此系统研究了大幅面立体像对快速浏览的分布式结构,包括硬件选择、分布式策略和通信方式等方面。由于当前分布式网络不足以支持大规模数据的实时传输,根据帧相关性原理,研究提出了大幅面立体像对的分布式缓冲机制。最后通过实验证明该方法能够实现大幅面立体像对的实时浏览。     

复杂面光源下实时绘制研究

对目前流行的面光源实时绘制算法进行综述。首先对面光源从相对距离、形状、光强分布和动态性四个方面进行分类,分析各类面光源的特点和处理方式。然后主要介绍三类面光源处理方法:解析方法、基于空间采样方法和预计算辐射传递方法,分析各类算法的主要思想、所针对的场景以及优缺点。最后阐述该领域的未来研究方向。     

基于深度图像绘制的视图合成

基于深度图像绘制（DIBR）的视图合成是3DTV中的关键技术。为了消除或减小合成视图中的空洞,常需要对深度图像进行平滑,但这往往会造成图像质量的下降,并造成“视图失真”。提出了一种新的基于DIBR的视图合成方法。该方法执行两次三维图像变换,第一次变换采用平滑后的深度图像,得到含有较小空洞的目标图像：第二次变换采用原始的深度图像,得到含有较大空洞的目标图像,然后以第二次变换得到的目标图像为基准将两幅目标图像融合,最后对得到的目标图像进行空洞填充。实验结果表明该方法合成的图像的质量令人满意,适用于3DTV中的视图合成。     

虚拟环境下变形线性体实时建模算法研究

研究提出一套虚拟环境下线绳和缆索两类变形线性体的几何变形数学建模算法。首先将变形线性体的物理和几何特性,对它们建模的共同之处进行研究,采用微分几何方法在正交直角坐标系下描述其变形,选择样条函数描述线性体的中心线,提出描述扭转变形的一种简单方法,结合广义弹簧理论建立它们的变形能数学模型,应用材料力学理论设计参数,并采用能量极小化方法求解;其次分别针对线绳和缆索的特性修改共性模型,形成各自的建模算法;第三通过仿真模型与实际变形线性体的对比实验验证仿真算法的正确性。实验结果表明,该算法能够正确描绘线绳和缆索变形,并能够满足虚拟环境的实时交互帧频率。     

一种变化光照条件的织物真实感图形绘制方法

本文从常用的光照模型着手,分析了织物的真实感图形绘制特点,建立了一种复杂程度较低而逼真效果较好的特殊光照模型,在此基础上,阐述了基于变化光照条件的织物真实感图形绘制的基本原理及具体实现方法,并给出纬编提花织物基于不同光照条件下的真实感图形实例。     

基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法

结合基于场景图构建的虚拟场景和仿真应用的特点,提出了一种基于视域剔除和图像缓存技术的复杂场景快速绘制方法。此方法能够有效地解决图像缓存算法中,由于未考虑视域不可见剔除,而造成的绘制元素复杂度计算偏差引起图像缓存误判断,从而降低绘制效率的问题。另外,通过对图像缓存有效性的判断,可以简化视域不可见剔除的判断,提高绘制效率。     

多分辨率地形模型动态构建与实时显示研究

论述了一种基于大规模格网数据或离散高程点动态构建多分辨率地形模型的算法。基于三维透视投影理论,实时计算视野区域,在该区域内,通过地形的自身复杂程度、视点位置及视线与局部地形的方向关系确定三角形的六叉分割,构建地形层次三角网(HTIN),并利用包含三叉树子节点的四叉树管理HTIN,优化了HTIN的形状,提高了算法的效率。实验结果表明:该算法在三维地形的逼真显示与实时交互绘制方面均取得了较好的效果。