（计算机应用技术专业论文）虚拟场景实时阴影算法的研究与实现.pdf

摘要 摘要 作为增加虚拟场景真实感的关键技术阴影的实时渲染技术，在三维游戏、动画 影视、三维地理信息系统、计算机辅助设计和制造等多方面得到广泛的应用。阴影效果 在真实感图形的生成和物体位置的判断方面扮演了重要的角色，它对于人们理解三维场 景的影响非常巨大。 实时软阴影绘制技术主要涉及到光线的处理、走样与反走样、硬阴影算法、软阴影 算法等。光线对阴影的生成具有很大的影响，阴影的绘制中采用了大量基于图像渲染的 方法，如阴影纹理、反走样处理、模糊。通过使用阴影纹理，可以实现真实的光照效果， 当绘制的阴影出现锯齿等走样现象时，就要用到反走样技术，模糊锯齿边缘。硬阴影算 法是实时软阴影算法的基础，目前比较常见的有光线跟踪、阴影图技术和阴影体技术。 阴影图算法是一种基于图像空间的算法，它计算场景的深度值来确定最终绘制的阴影； 而阴影体则是根据场景中物体的几何信息来绘制阴影的技术，因此是属于对象空间的。 光线跟踪技术主要考虑光线和物体的求交，有效地减少光线与物体的求交次数成为了算 法的关键。基于这种思想，本文针对旋转曲面场景提出一种基于综合包围盒技术快速光 线跟踪算法，通过改进传统的包围盒技术对算法进行了优化。但对场景的阴影只采用了 普通光线跟踪算法绘制，而如何生成此类实时软阴影，是我们下一步研究的内容。 软阴影算法分为基于图像空间和基于对象空间两类。基于图像空间的算法与场景复 杂度无关，但绘制的阴影会出现锯齿等走样问题，基于对象空间的算法较少出现走样， 绘制的阴影质量较高，但对系统的处理能力要求也高。本文对基于图像空间软阴影算法 进行了研究和分析，通过比较各种实时软阴影算法的优缺点，提出了一种基于阴影图的 实时软阴影算法，实验结果表明算法对较复杂物体在保证绘制视觉效果的同时，能达到 令人满意的实时性，从而为复杂场景的实时软阴影绘制提供了有效的解决途径。文章最 后对实时软阴影未来的发展方向进行了展望。 关键字：软阴影；半影；阴影图；阴影体；光线跟踪；包围盒；综合包围壳； a b s t r a c t a sk e yt e c h n o l o g yo fr e a l t i m er e n d e r i n g ，s h a d i n gc a na d dr e a l i s mt ot h ev i r t u a ls c e n e ，s o t h i st e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di n3 dg a m e s ，a n i m a t i n gm o v i e t v3 dg i ss y s t e m sa n d c o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r e s h a d o w sa r ei m p o r t a n tt oc o m p u t e rg r a p h i c s b e c a u s et h e ya d dr e a l i s ma n dh e l pt h ev i e w e ri d e n t i f ys p a t i a lr e l a t i o n s h i p s h a d o w sa r ea l s o c r u c i a lf o rt h eh u m a np e r c e p t i o no ft h e3 dw o r l d t h et e c h n i q u e so fr e n d e r i n gr e a l t i m es o f ts h a d o wc o n s i s to ft h r e em a i np a r t s t h ef i r s t p a r ti sas h o r ti n t r o d u c t i o nf o rs o m et e c h n i q u ea b o u tl i g h t ，f o re x a m p l el i g h t m a p ，a n t i a l i a s i n g a n df u z z y t h e yh a v ea ni m p o r t a n ta s p e c tt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs h a d o w w ec a nu s e l i g h t m a pt os i m u l a t er e a li l l u m i n a t i o ne f f e c ta n d u s e a n t i a l i a s i n gt om a k es a w t o o t hs h a d o w e d g e ss 仃m g h t t h es e c o n dp a r tw e i n t r o d u c es o m er e a l t i m es h a d o wr e n d e r i n ga l g o r i t h m sa n d t 1 1 e ya r et h eb a s i so fg e n e r a t i n gs o f ts h a d o w i n t h i st i m e r a yt r a c i n g , s h a d o wm a p sa n d s h a d o wv o l u m e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l s s h a d o wm a p sa r ec o m p u t e di ni m a g es p a c e ， r e n d e r i n gs h a d o ww i t hd e p t hm a p s i n f o r m a t i o ni ns c e n e s c o m p a r i s o nt os h a d o wm a p s ， i n s t e a do fc o m p u t i n gi ni m a g es p a c e ，s h a d o wv o l u m e sg e n e r a t es h a d o w sb a s e do no b j e c t g e o m e t r yi n f o r m a t i o ni no b j e c ts p a c e i tc o n s i d e rm a i n l yl i g h ta n do b j e c t si n t e r s e c t i o ni nr a y t r a c i n ga n dh o w t or e d u c et h ep o t e n t i a ln u m b e ro fi n t e r s e c t i o n sb e c o m eaf u t u r es u b j e c t i m a g es p a c ea l g o r i t h ma n do b j e c ts p a c ea l g o r i t h ma l eb e c o m et w ob r a n c h e so fs o f t s h a d o wr e n d e r i n g t h ec h a r a c t e ro fi m a g es p a c ea l g o r i t h mi se n s u r i n gr e a l t i m er e n d e r i n gb u t h a v i n gt h ep o o r - q u a l i t yp e r f o r m a n c e ，w h i l eo b j e c ts p a c ea l g o r i t h mb r i n g sh i g h q u a l i t yi m a g e b u tl o wf r a m er a t e s c o m b i n i n gt h e s ea l g o r i t h m sa l l o w sf o rr a p i dp r e v i e w i n gf o l l o w e db ye f f i c i e n t h i 曲一q u a l i t yr e n d e r i n g w ep r e s e n tar e a l t i m es o f ts h a d o wa l g o r i t h mw h i c hb 嬲e do nt h e s h a d o wm a p s e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h ea l g o r i t h mc a np r o v i d ev i s u a l l yp l e a s i n g e f f e c tf o rt h ec o m p l e xo b j e c t sa n da c h i e v es a t i s f y i n gf r a m er a t ea tt h es a m et i m e s ow eo f f e r a ne f f e c t i v ew a yt og e n e r a t er e a l - t i m es o f ts h a d o wf o rt h ec o m p l e xs c e n e s ， k e yw o r d s ：s o f ts h a d o w s ；p e n u m b r a ；s h a d o wm a p s ；s h a d o wv o l u m e s ；r a y - t r a c i n g ； b o u n d i n gv o l u m e ；h y b r i db o u n d i n gs h e l l 独创性j 声明 本人声明所呈交的学位论文是苓人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并 签名：日。期：砂矿一汐易一2 - 0 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 导师签名：期：硼乎一9 6 - - - 2 t o 第一章绪论 第一章绪论 1 - 1 课题的选择和研究意义 1 11 课题的选择 在现实的世界中，阴影无处不在。阴影提供了光线与物体的相关信息，因此阴影对 于人们理解三维场景的影响是非常巨大的。使用阴影我们可以创造出很多生动的视觉 效果，在计算机图形学中，阴影起到的作用也越来越大。首先阴影能有助于理解场景中 物体尺寸和相互间的位置“”。“”，如图1 1 所示；其次阴影有助于理解接受面的空间 几何信息“，如图1 2 所示：最后阴影也有助于理解遮挡物的几何形状，如图1 3 所示。 图1 1 阴影提供物体问的位置信息 f igl 一1s h a d o w sp r o v i d ei n f o r m t i o na b o u tt h er e t a t i r ep o $ i t i o n so fo b j e c ts 图1 2 阴影提供接受面几何信息 f i g 1 2s h a d o w sp r o v i d e n f o r m a t i o na b o u tt h eg e o m e t r yo ft h er e c e i v e r 图l 一3 阴彩提供遮挡物几何彤状 f g 1 3s h a d o w so f o v id ei n f o r m a t i o na b o u tt h eg e o m e tr yo fth eo c c l u d e r 通过添加阴影，使得生成的虚拟场景无论足在真实感或质量上都会得到很大的提 江 熏、 零-髫 嗲舅鬈 江南大学硕十学位论文 高。如果没有阴影，计算机图形的真实感就会逊色很多。正因为如此，越来越多的商业 软件系统开始对阴影提供了支持，并且也取得了很好的效果。而其中对实时的软阴影技 术研究最为热门，许多图形显示卡的厂商也在他们的产品中添加了对阴影技术的支持， 如a t i 公司阴影渲染加速技术采用了非常特殊的处理方式，不再去判断每个像素是否处 于阴影之中，而通过动态分支扫描处理阴影边缘的像素点，然后进行高精度描绘。内部 则只需要进行填充即可，这样可高效地制造出拥有更柔和边缘的阴影。a t i 还开发了 f e t c f l 4 技术，它的每个采样点都记录了周边的r g b a 四个值( 标准采样点则只能记录一 种灰度) ，因此其效率可达到标准方式的4 倍。这些新技术和新系统在极大地提高虚拟 场景质量的同时，也提高了系统的生成效率。 1 1 2 研究意义 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y , 简称v r ) ，是利用计算机的高科技手段构造一个虚拟的环 境，使参与者体会到与现实一样的感觉，它是一种高级的人机界面。近年来虚拟现实不 仅是信息领域科技工作者和产业界的研究、开发和应用的热点，通过二十多年的研究探 索，虚拟现实技术广泛地应用到建筑设计、工业设计、医学等领域强6 1 ，并取得了显著 的综合效益，而这切都必须依赖于计算机图形学技术。在虚拟现实场景中，正是阴影 和其它各种光照技术的相互结合，才使得计算机可以用来为我们塑造出各种精彩异常的 人物或景观。并且通过交互式的设计，使得参与其中的人们可以得到极其丰富的体验。 因此，各类三维动画制作系统或游戏领域阴影得到了更广泛的应用，同时新一代基于 g p u 特性生成的各种阴影在交互式系统中也有很好的发展前景。 1 2 阴影的研究现状 近年来，随着对阴影技术研究的深入化，各种阴影生成技术层出不穷。主要分为基 于图像空间方法和基于对象空间方法两类西1 。基于图像空间方法是在像素点上计算阴影 的方法，基于对象空间方法计算阴影是独立于视点的。现有的硬阴影生成算法主要有扫 描线算法、细节多边形算法( 两次消隐算法) 、阴影体( s h a d o wv o l u m e s ，s v ) 算法乜】、 z b u f f e r 算法、光线跟踪算法、辐射度算法和阴影i 圈( s h a d o wm a p s ，s m ) 算法等，而以阴 影图和阴影体技术为主要发展方向盯儿8 1 ，以此为基础的论文几乎每年都有发表，研究的 内容主要针对实时交互的虚拟场景中生成真实的阴影阳川。 阴影图算法是一种基于图像空间的算法，该算法可以在任意几何面构成的场景中加 入阴影，并且能够达到实时绘制。s m 算法需要两步绘制过程：、将照相机放在光源 位置上，产生z 缓冲器纹理，此纹理的每个像素点记录光源通过该像素点与场景中物体 相交的最近深度值，即最近交点到光源的距离；、将照相机放在实际视点位置上，并 使用第一步得到的深度纹理来进行阴影测试，通过比较给定点与此深度值的关系，即可 判定该点是否位于阴影内。阴影体算法属于对象空间精确方法，该方法主要思想是根据 光线方向确定遮挡物的轮廓边，沿着光线的方向延伸这些轮廓边，所形成的面与遮挡物 一起形成阴影体，物体如果处于该阴影体中，则说明其是避光的，如果不在其中则反之。 s m 和s v 算法都是用来产生实时硬阴影的，如果要生成具有一定真实感的软阴影则需要 第一章绪论 通过对其进行相应的改进“州”1 。 随着图形硬件的快速发展，基于图形硬件的实时阴影绘制研究取得了很大成果。复 杂的图形计算已经逐步从c p u 转向图形硬件的图形处理单元g p u ( g r a p h i c s p r o c e s s i n g u n i t ) “，通过g p u 提供的特性，可以加速处理大量的阴影计算，从而使耗费很高的阴 影算法能够适用于大规模复杂场景的交互式绘制。 2 0 0 4 年a i w o 等人提出了一种基于种子填充生成近似软阴影的方法“，该算法作用于 对阴影边缘像素的检测用软阴影来代替多条路径像素，最后逐渐地扩展这些路径处的 软阴影区域。算法的主要缺点在于这些路径的数量对于扩展的半影区是未知的，同时填 充阴影的时间也是未知的，因此，它是一个软阴影的初级解决方案。 g u e n n e b a u d 和l i o n e l 都分别独立的使用了每个像素点在阴影中的反向投影来计算软 阴影“。“”1 ，他们的主要区别是计算步骤的顺序，前者在屏幕空间计算软阴影，需要搜索 阴影图，后者主要在阴影图空间计算软阴影。 s o l e r 和s i l l i o n 提出了一种在图像空间中使用纹理映射和利用卷积生成近似软阴影的 方法“”，将软阴影图作为遮挡体的图像和光源图像的卷积，确保在阴影边缘处光线亮度 的平滑过渡。算法的优点是避免了多次采样带来的计算代价，但这种方法只能用来计算 平面或平行的物体，而且不能灵活控制自阴影。 可见既要保证实时性，又要生成高质量的软阴影，是一件比较困难的事情。从已经 提出的软阴影算法来看，都能比较好的完成软阴影的计算，但还是存在一些问题，有些 受到遮挡物和接受面几何形状的限制，有些要考虑光源的大小和位置，有些不能生成的 软阴影锯齿现象较严重等等。 1 3 阴影的相关概念 l _ 31 阴影的定义 虚拟的三维场景由光源l 照亮，其中遮挡光源照射的物体称之为遮挡物( o c c l u d 神， 接受阴影的物体称为接受面( r e c e i v e r ) ，一般来说遮挡物和接受面是相对的，不能绝对区 分它们。如果在场景中某点p 看不到光源l ，则认为该点处于阴影中，光源发出的光线到 不了该点“，如图l 一5 所示。所有的阴影可以分为自阴影和投射阴影，自阴影是遮挡物 阴影投射到自身，投射阴影则是由投射到其他物体上的阴影形成。如图1 4 所示。 图1 4 自阴影和投射阴影 f ig1 4s e l fs h a d o wa n dc as ts h a d o w s 3 江南大学硕士学位论文 1 3 2 本影和半影 由点光源或平行光源产生阴影区域称之为本影( u m b r a ) ，这种阴影有一个明确的界 限，可用一个布尔值表示是否处于阴影中；而面光源或线光源则不同于点光源，接受面 上的点不完全处于阴影中。阴影区与亮区存在一个平滑的过度，称为半影( p e n u m b r a ) ， 见图l 一5 ，弓为本影区，名足- 与g e , 为半影区。本影和半影构成了整个场景的阴影区 域。 4 图1 5 本影与半影 fig 1 5u m b r aa n dp e n u m b r a 1 3 3 硬阴影与软阴影 由点光源或平行光源生成，场景中的点只有阴影中和阴影外两种位置状态，这种阴 影称为硬阴影，它的真实感不强，而且硬阴影现实世界中并不存在，点光源和平行光源 只是一种理想状态。 相对于硬阴影的真实感不强，软阴影更能反映现实的世界。软阴影的半影区域能根 据光源、遮挡物、接受面三者间的相互位置关系进行变化，一般来说，遮挡物越是靠近 接受面，则软阴影越能正确显示，而且软阴影的本影区不能等同于由点光源或平行光产 生的硬阴影，随着光源与遮挡物间距离变小，软阴影的半影区域会变大，而如果将光源 变大，则阴影的本影区会变小，甚至消失n 引，如图l 一6 、1 7 所示。 p lp 2p 3p 4 图l 一6 光源尺寸对软阴影影响 f i g 1 6t h ee f f e c to f 1i g h ts o u r c esi z et os o f ts h a d o w 4 镕一乖绪论 囤卜8 硬阴影与软阴影 f ig1 8h a r ds h a d o w sa n d s o f ts h a d o w s 1 3 4 阴影的实时性 虚拟图像的显示速度用帧速( f r a m e sp e rs e c o n d ，如s 也称为帧速率) 来衡量，是 指每秒钟时间里刷新的图片帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次。如果 一个系统每秒显示的帧数小于6 ，则用户般难以体会到交互性而当系统的帧速达到 1 5 f p s 时，就可以称该系统具有实时性。针对一个实时应用系统，帧速是一个非常重要 的因素，基于实时性的考虑对于那些需要进行复杂预计算的技术，本文没有深入的研 究。 1 4 论文主要工作 本文主要针对虚拟三维场景实时阴影算法的研究，提出了阴影算法研究的意义和实 际的一些应用，分析了近儿十年国内外在阴影研究方面的现状，并且根据它们各自的所 涉及到的问题的不同方面，主要从以下几个方面进行了研究： 简单介绍了可编程的图形硬件技术，利用图形硬件的可编程性对阴影生成算法进行 优化，使硬件加速算法成为可能。 光照明模型和真实感渲染技术是各种阴影技术的基础，讨论了几个经典的光照明模 江南大学硕士学位论文 型和三维图形的真实感渲染技术、光线跟踪技术以及反走样技术，利用这些技术来模拟 现实中的阴影，通过使用反走样技术，使得生成的阴影真实感更强。 研究分析了基本的硬阴影生成算法，分析其局限性和实用性，重点对阴影图算法进 行了全面细致的阐述，并进行了相关的实验和数据分析。另外针对旋转曲面场景提出了 一种改进的光线跟踪生成算法，运用综合包围盒技术来减少光线求交次数，效果较好。 研究分析了基于图像空间软阴影算法，对几种基于图像空间软阴影算法的优点和局 限性进行了比较，重点地分析了基于阴影图的软阴影在图像空间中的实现。 论文简要地说明了阴影体技术和相关算法的实现，对基于z 缓存器技术的阴影生成 算法进行了描述，同时对基于对象空间的几种软阴影算法原理和实现过程进行了描述。 论文在分析研究这些技术的基础上，结合多种阴影算法的特点，提出了一种基于阴 影图的软阴影生成算法，并通过实验进行对比和说明，算法能保证绘制的视觉效果，同 时也达到较令人满意的实时性。 1 5 论文的章节组织 论文共分为六章对虚拟场景实时阴影进行了研究和探讨，具体的章节内容安排如 下： 第一章绪论。从阴影的实时绘制在虚拟场景真实感绘制各应用系统的重要性出发， 介绍了课题的来源、研究的意义和国内外阴影的研究现状，指出了论文的主要工作内容、 章节组织，同时介绍了阴影的基本概念，如硬阴影和软阴影，提出了实时阴影算法中实 时性的要求。 第二章阴影中使用的相关技术。主要论述了与虚拟场景实时阴影生成算法相关的 技术，包括：可编程图形硬件技术，光照明模型，阴影纹理，走样和反走样技术。 第三章阴影生成的基本算法。分析了虚拟场景基本阴影生成算法，介绍了阴影图 算法和阴影体算法两种实时阴影生成算法，以及讨论了它们的各种相关扩展，并针对旋 转曲面场景物体光线跟踪算法的优化进行了探讨，同时简单介绍了z 缓冲器阴影生成算 法。 第四章软阴影生成算法的研究。本章主要介绍软阴影生成算法，在第三章的基础 上，详细讨论了基于图像空间和基于对象空间的软阴影生成算法，分析了各种算法的优 缺点。 第五章实时软阴影算法的实现，介绍了一种基于阴影图的实时软阴影生成算法， 通过离散遮挡物成许多微面，为每个微面计算阴影深度值，并估计微面的可见度，计算 微面半影范围，然后将软阴影图投影回场景中，得到实时软阴影。最后对算法进行了总 厶士 日。 第六章对论文研究的主要内容和创新点进行了全面的总结，并对今后需要进一步 研究的方向做了展望。 6 第二章阴影中使用的相关技术 第二章阴影中使用的相关技术 2 1 引言 实时绘制真实感强的虚拟场景，需要借助于多项计算机图形学技术。追求“像照片 一样真实 的效果，意味着精确度和完美性，强调虚拟场景对于现实世界的保真度。场 景实时性和真实感研究是指场景的实时生成、变换、分析、综合和显示方面的研究，还 涉及了生成场景物体的各种算法、数学模型、随机模型以及分析几何等的应用。阴影是 真实感场景中的关键成分，是有关光照的函数，而要正确渲染虚拟场景中的阴影，相关 的计算量较大，花费时间较长，因此需要各种技术来提高效率。本章中将讨论生成阴影 中使用的相关技术。 2 2 光照明模型 当光线照射到物体表面时，可能被反射( r e f l e c t i o n ) 、透射( t r a n s m i s s i o n ) 和吸收 ( a b s o r p t i o n ) ：光通过物体表面向空间反射，产生反射光；对于透明物体，光线穿透该 物体并从另一端射出透射光；而被物体自身吸收的光转化为热能。反射、透射的光进入 人的视觉系统，产生视觉信号，为了模拟这一现象，需要建立一整套的数学模型代替复 杂的物理模型，这些模型就称为光照明模型或明暗效应模型，每种模型都是对自然界的 复杂光照的抽象和近似描述口。 光照明模型的研究对真实感图形的生成至关重要，在图形学中光线由四个成分构 成：发射光、环境光、漫反射光和镜面反射光。其中环境光，漫反射光和镜面反射光这：一 三部分组成了反射光。发射光来自物体本身不受其他任何光源影响。环境光( a m b i e n t l i g h t ) 是邻近各物体所产生的光多次反射最终达到平衡时的光。漫反射光来自一个方向， 无论在何处观察亮度相同。镜面反射光来自一个特定方向且以一个特定方向离开。 光照明模型通常分为局部光照明模型和全局光照明模型n 9 1 。局部光照