阴影实时绘制技术研究

阴影是自然界中一种普遍存在的自然现象，它能够提供场景数据之外的感知信息，因此阴影的实时绘制是真实感技术研究的主要内容之一。本文围绕阴影的实时绘制技术这一主题展开，主要研究内容包括以下几个方面： （1）预滤波阴影贴图反走样技术研究 方差阴影贴图算法是一种基于概率方法的预滤波算法，它本身存在着比较严重的光渗现象。我们采用高次幂函数对深度进行非线性映射，按照这一深度根据方差阴影贴图算法求得一个可见性数值，并与原始的方法求得的可见性数值求取一个最小值，作为最终的可见性，从而能够很好地消除光渗现象。同时，我们针对指数阴影贴图算法的不稳定性，将其与方差阴影贴图算法相结合，采用混合的方法消除二者存在的缺陷。 （2）基于GPU的近似软影绘制 通过对阴影图算法进行扩展，提出了一种完全基于GPU的近似软影实时绘制算法。第一遍与传统的阴影图算法类似，从光源中心计算场景的深度图。第二遍采用几何着色器提取物体的轮廓边，同时在轮廓边上生成新的几何图元，利用硬件自动插值功能，向外绘制线性近似半影图，并根据第一遍得到的深度图在像素着色器中对背面轮廓形成的半影区进行剔除；对于重叠的半影区，通过设定片元的伪深度值利用硬件进行自动融合；这一遍是完全在GPU中运行的，与其它方法不同的是我们只需要一遍绘制即可得到近似半影区纹理。第三遍分别查询深度图和半影图，以确定场景的本影区以及半影区中像素的亮度，从而得到面光源照射下场景的近似软影效果。 （3）基于预计算辐射率传输的近似软影绘制 基于预计算辐射率传输的方法，提出了一种基于圆盘近似的全动态场景柔和阴影实时绘制算法。该方法首先采用圆盘对物体表面进行近似，对每个圆盘形成的遮挡使用椭圆遮挡域表示，预计算过程中根据每个椭圆遮挡域参数进行采样并用球面调和系数表示，同时将其转换为对数，对采样数据采用主元分析方法进行压缩；在绘制的过程中，根据圆盘的法线、半径以及和阴影接收点之间的相对位置确定其椭圆遮挡域的值，然后采用球面调和指数算法进行累积。该方法将圆盘近似算法和球面调和指数算法相结合，能够灵活地描述柔性物体以及较薄的物体形成的柔和阴影。 （4）近似全局光照算法研究 提出了一种混合的近似全局光照算法，对原始模型采用卷积软影图算法计算直接光照，而间接光照采用简化模型计算。在直接光照计算过程中同时生成光源视点的场景的颜色、法线以及世界坐标位置纹理，利用准随机采样的方法从这三幅纹理中获得间接光照采样点，称之为像素光源，然后利用抛物面阴影贴图算法对简化模型计算间接光照；最后将直接光照和间接光照融合获得最终结果。为了进一步提高精确性，仅用简化模型生成阴影贴图，间接光照绘制的过程中采用Deferred Shading的方式进行计算，将视域中可见像素的位置和法线保存在纹理中，间接光照计算直接对纹理中的像素进行。该方法能够较好地处理动态场景的近似全局光照效果。