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。

非真实感绘制中的线绘制技术及其水墨仿真研究

绘画是人类捕捉、记录及表现不同创意目的的行为，是一种在二维的平面上以手工方式描绘自然的艺术。从远古的石洞壁画到现代的各种绘画艺术作品和插图，随着人类历史的进步，绘画一直扮演着传递信息和艺术表达的角色：作为表达场景信息的手段，在照相技术出现之前，手工绘画一直是最好的方法；而另一方面，作为艺术行为，绘画可以表达作者的精神世界和自我风格。 随着计算机技术的出现和发展，计算机绘图逐渐成熟，并形成一门独立学科：计算机图形学。非真实感绘制(Non-Photorealistic Rendering, NPR)作为计算机图形学的热点研究课题最为接近手工绘画，有别于传统计算机图形学，它是涉及计算机艺术、数字图形处理、认知心理学等多领域的交叉研究领域。非真实感绘制的一个重要作用就是将计算机技术和绘画艺术结合起来，自动或交互地生成具有手绘艺术风格的图像。其目的不在于绘制结果的真实感，而在于表现绘画艺术特质、模拟艺术作品等。非真实感绘制往往依据艺术家的视觉感官或为了突出物体某方面性质，会着重强调某一方面细节而忽略一些其他细节信息。 本文围绕非真实感绘制技术，从模拟线绘画和中国水墨绘画两个方向进行研究。以简单的三维网格模型为输入，力求完全自动化地进行实时绘制。本文工作主要分为两部分：实时线绘制技术和二维水墨扩散仿真。 线条绘画，是表达物理场景既简单又实用的绘画手段，线绘制技术也是非真实感绘制领域最重要的研究课题之一。无论是插图还是艺术绘画，线绘制图像都可以完全表达出三维场景的形状信息而不用借助于其他绘画手段。本文首先总结了前人的线绘制算法，并针对视点相关特征线和视点无关特征线的优缺点，提出了一种融合两类特征线优点的特征线新定义。基于该定义，本文算法以模型曲面的微分几何信息为依据，运用基于图像的绘制技术，利用GPU硬件，实时地绘制出风格可控的线绘制图像。 对于种目繁多的艺术流派，目前NPR技术已经实现了多种绘画艺术风格的模拟，如水彩画、铅笔画、钢笔画、油画等等。水墨画是作为中国传统绘画艺术形式，画风朴素抽象，笔划简单但富表现力，是我国优秀的文化传统。对水墨画的仿真模拟，不仅是传承我国优秀文化的一种新方式，同时也是对NPR技术的拓展。由于本文线绘制算法有较好的线宽控制以及内部着色（灰度渐变），在实现上可以很连贯地由线绘制图像扩展到水墨仿真。在水墨扩散模拟阶段，将线绘制结果图像作为输入，通过在二维水墨扩散仿真实现水墨风格的绘制。本文运用流体力学中常用的LB方法，通过研究水墨扩散的各种现象，修改LB方法的D2Q9模型二维网格间的流体迁移运算以及网格的宏观量更新，模拟水墨在宣纸内的流动。由于LB方法具有良好的并行性，故本文仿真算法可以利用GPU的并行计算能力实时地完成绘制。

多投影系统D-vision中双手6自由度力觉交互

D-vision系统(这里"D"有"Divide Screen"和"Duplex-Vision"双重含义)是一类基于PC机群的多投影虚拟现实系统(或简称多投影系统).给出D-vision系统中双手6自由度力觉交互的实现过程:在客户端协同控制两个力觉交互设备Spidar-G(Space Interface for Artificial Reality withGrip)实现双手协作交互,其次构造一个基于UDP的Socket类完成客户端和绘制服务器节点之间的通讯,传递跟踪球的位置、方向等信息;然后,通过分布绘制实现在大屏幕上无缝显示.最后实验结果表明:在D-vision系统中双手6自由度力觉交互是一种自然直观的人机交互方式.

笔式三维草图绘制中的轮廓线技术研究

详细介绍了三维模型轮廓线技术及其检测算法,并深入分析了轮廓线技术在三维草图绘制中的作用;然后设计并实现了一个三维草图绘制系统。该系统提供了用笔绘制三维模型的交互环境,通过轮廓线将三维模型与二维交互手势联系起来,使用户可以自由灵活地操纵和控制三维模型,获得自然、高效的交互体验。

基于libMini的动态地形实时渲染算法

为了减少地形动态变化时的地形计算时间,满足动态地形实时可视化的需要,在地形渲染库libMini的基础上,依据地形动态变化的局部性特点,以及库中LOD(Level ofDetail)算法的具体实现方式,运用局部更新的思想,提出了一种动态地形实时计算和渲染算法.算法避免了在地形动态变化时进行大量重复计算,使得在地形动态变化时所需的计算量大大减少,达到实时渲染要求.实验表明,算法使得局部地形动态变化时地形计算和渲染的时间从秒级降低到毫秒级,可以满足实时渲染要求.

蒙古文显示在OpenOffice.org办公套件中的实现

蒙古文是一种复杂文字,目前操作系统和办公套件都还不支持蒙古文的显示.OpenOffice.org是可以运行在Linux和Windows上跨平台的办公套件,它分别使用ICU LayoutEngine和Uniscribe进行复杂文字处理.本文以支持蒙古文处理的Linux版本OpenOiffice.org为基础,详细分析了OpenOffice.org在Linux和Windows系统上的复杂文本处理过程,采用Uniscribe与ICU相结合的方案,实现了OpenOffice.org在Windows平台上对蒙古文的显示.

高性能聚合物白光电致发光器件研究

聚合物白光电致发光器件可以采用旋涂、喷墨打印等方法成膜，具有工艺简单、成本低等优点，在全色平板显示和照明光源等方面具有广阔的应用前景，吸引了广泛的关注。聚合物白光电致发光器件同小分子发光器件相比发光效率仍然很低，如何提高聚合物白光器件的效率是急需解决的问题。而另一个评价白光器件性能的重要参数就是显色指数(color rendering index , CRI)。目前所报道的有机白光器件的显色指数普遍低于80，如何提高聚合物白光器件的显色指数也是我们研究的重点。本论文在载流子的注入平衡控制、白光聚合物薄膜的聚集态调控改善其光电性能和设计新型器件结构提高白光器件效率等方面进行了系统、深入的研究，在提高聚合物白光电致发光器件的效率和色纯度方面取得了较大的研究进展，为发展高质量的聚合物白光电致发光器件提供了理论基础和实施途径。 1. 首次将醇溶性含磷酸脂基团的聚芴衍生物作为电子注入材料应用到聚合物电致发光器件中，并采用高功函数铝作为阴极获得了高效率的聚合物电致发光。醇溶性含磷酸酯聚芴界面材料不但实现了多层聚合物结构，而且磷酸酯与金属铝的特殊作用有利于高效率电子注入。我们成功地将其应用到红、绿、蓝三基色聚合物发光器件中，与传统的Ca/Al电极聚合物器件相比，这种新型界面材料的使用有效降低了器件的工作电压，发光效率提高了25 %以上。 2. 利用物理掺杂的方法通过选用白光聚合物(由蓝光和橙光组成)作为主体、高效率红光磷光染料作为客体实现了包含红、绿、蓝三基色的高显色指数白光聚合物电致发光，色坐标为 (0.34，0.35)，显色指数达到 92。通过在发光层中引入电子传输材料实现了载流子的传输平衡，提高了白光器件的发光效率，发光效率达到5.3 cd/A。 3. 采用含苯并噻二唑基元的聚芴衍生物作为白光发光层(由蓝光和橙光组成)，利用热退火及溶剂处理等方式控制白光聚合物薄膜聚集态结构，有效调控了白光聚合物薄膜的载流子传输平衡和白光的色纯度。利用热处理或溶剂处理提高了薄膜的空穴迁移率，平衡了载流子传输，使发光效率由原来的7.3 cd/A提高到10 cd/A以上。同过热处理及溶剂处理后的白光聚合物薄膜中出现了高发光效率的聚芴结晶相，提高了蓝光部分的发光效率和色纯度，进而提高了白光的色纯度。 4. 利用含苯并噻二唑基元的聚芴衍生物白光聚合物和含磷酸酯醇溶性蓝光聚芴构筑了高效率双发光层聚合物白光电致发光器件。通过控制白光聚合物薄膜的聚集态结构提高空穴迁移率和引入醇溶性蓝光聚芴界面层改善电子注入实现了载流子传输平衡，同时将激子复合区域限制在两个发光层之间，避免了由于电极造成的激子淬灭，器件的发光效率达到17 cd/A和11 lm/W，是目前国际上报道的非掺杂型聚合物白光电致发光的最高值。 5. 利用高色纯度的蓝光聚芴、绿光和红光磷光染料实现了包含红绿蓝三基色的高显色指数白光；通过器件结构的设计提高器件中三线态激子的利用效率和抑制磷光染料中三线态激子向聚芴低三线态能级的能量转移，实现了高效率、高显色指数聚合物白光电致发光。 其中红光和绿光发光层由高三线态能级的聚乙烯咔唑掺杂绿光和红光磷光染料组成，蓝光发光层采用含磷酸脂基团聚芴，在两个发光层间引入高三线态能级激子限制层，有效抑制了磷光染料三线态激子被低三线态能级聚芴的淬灭，实现了高发光效率的包含红、绿、蓝三基色的高显色指数聚合物电致白光。器件最高效率可达到10.4 cd/A， 色坐标为 (0.36, 0.39)，显色指数达到91。

基于GPU的球面深度图实时绘制

提出了一种GPU加速的实时基于图像的绘制算法.该算法利用极坐标系生成对物体全方位均匀采样的球面深度图像;然后根据推导的两个预变换公式将单幅球面深度图像预变换到物体包围球的一个与视点相关的切平面上,以生成中间图像;再利用纹理映射生成最终目标图像.利用现代图形硬件的可编程性和并行性,将预变换移植到Vertex Shader来加快绘制速度;利用硬件的光栅化功能来完成图像的插值,以得到连续无洞的结果图像.此外,还在Pixel Shader上进行逐像素的光照以及环境映射的计算,生成高质量的光照效果.最终,文章解决了算法的视点受限问题,并设计了一种动态LOD(Level of Details)算法,实现了一个实时漫游系统,保持了物体间正确的遮挡关系.

基于GPU的近似软影实时绘制

通过对阴影图算法进行扩展,提出一种完全基于GPU的近似软影实时绘制算法,它是一种3遍算法:第一遍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;对于重叠的半影区设定片元的伪深度值,利用硬件进行自动融合.第三遍分别查询深度图和半影图,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.

水稻同源四倍体高代自交系农艺性状分析及遗传差异研究

课题组在不断地创制新的同源四倍体材料的同时，连续多年以提高结实率为目的培育、筛选自交系材料，已获得自交繁殖十二年的高代自交系材料。相对于诱导创制初期，材料表现出的结实率低，同种系单株间的差异较大；高代材料已表现出较显著的结实率提升和较一致的农艺性状表型。 本实验选取课题组多年培育的同源四倍体水稻高代自交系材料，通过形态学、农艺性状和细胞遗传学比较，研究水稻同源四倍体与二倍体之间的异同。结果显示，所有同源四倍体材料的染色体组成均为2N=4X=48，花粉母细胞(PMC)减数分裂行为较正常，99%以上的染色体都能在减数分裂中期I（MI）发生联会、配对，形成四价体和二价体，这与理论染色体组构成相符。在减数分裂过程中，结实率较高的材料染色体异常现象较少而结实率较低的材料染色体异常现象较严重。统计分析表明，二价体和四价体的比例对结实率没有显著影响，但是三价体的数目对结实率有一定影响。这一结果表明了结实率和细胞减数分裂行为可能存在相关性，同源四倍体的减数分裂行为为筛选高结实率的同源四倍体种系提供了依据。 然后，对同源四倍体水稻高代自交系材料进行农艺性状和品质性状的统计与分析。主要针对结实率、每穗实粒数、有效分蘖和穗长等主要农艺性状，以及直链淀粉含量这一重要的品质性状进行统计。将统计结果与1996年诱导加倍的初代材料的数据相对比分析，结果显示所有材料经过多代选育培养，其农艺性状已经有了较显著的提高，同时同源四倍体材料的农艺性状稳定性也有了较显著的提升。如结实率的提高幅度较大，所有材料的平均结实率均显著高于加倍初代，而同种材料不同单株间的结实率差异也显著地减少，变异系数（CV）的平均值由1996年的41.15%减少到了2008年的28.81%。其他重要农艺性状也有不同程度的改良，种内变异系数也相应地降低。此外，实验测量了同源四倍体材料和来源二倍体材料的直链淀粉含量。分析结果显示，部分材料的直链淀粉含量与二倍体亲本产生了较显著的差异，这可能是诱导加倍过程中的遗传变异造成的；同源四倍体材料的种内变异系数（CV）平均值由1996年的6%下降到了2008年的3.88%，显示出在品质性状方面，同源四倍体材料的遗传稳定性也有较显著的增加。同源四倍体材料农艺性状经过多年的选育，表现出一定的提升，同时，经过多年自交纯化，所有材料种系内的性状差异逐渐缩小，说明同源四倍体水稻的遗传稳定性随着自交纯化而增强，这为同源四倍体水稻的进一步选育打下了良好的基础。 最后，通过测量连续两年的自交系材料的遗传多态性，分析材料间遗传差异和种群遗传结构，深入研究连续两代材料间的遗传差异，研究同源四倍体水稻与二倍体材料遗传稳定性之间的差异。实验采用18对SSR微卫星标记对连续两代15个材料，共94份样本进行差异分析。通过扩增条带长度多态性分析，计算不同材料以及同种材料不同世代间的遗传距离，构建同源四倍体和二倍体水稻的分子指纹库，并绘制聚类图。结果显示，同源四倍体和二倍体不同材料间的遗传差异比较大，遗传距离处于0.4757至0.2816之间；而相同品种不同世代材料间的遗传差异较小，但也表现出一定的遗传差异。同种同源四倍体材料不同世代间的遗传差异比二倍体材料更大，两代四倍体材料间遗传距离处于0.1359至0.0485之间；而两代二倍体材料间的遗传距离处于均小于0.0388。结果表明，同源四倍体水稻高代材料具有一定的遗传稳定性，但与来源二倍体材料相比，其世代间的遗传变异性仍然较强。这种结果说明，经过多代的自交纯化培育，同源四倍体水稻材料能够建立起相对稳定的遗传结构，同时，其强于二倍体亲本的变异性有能够为新品种的选育，农艺性状、品质性状的改良提供一定的遗传基础。此外，分析结果表明通过分子标记辅助检验，水稻材料间的遗传多态性能够有效地区分不同的品种，这为水稻品种的分子鉴定提供了一定的依据。 本研究从细胞学鉴定，农艺性状统计分析以及分子标记辅助聚类分析多方面地对同源四倍体水稻高代系进行了研究，对探究同源四倍体水稻的遗传规律，进一步揭示其遗传特性、农艺性状的遗传构成，为进一步选育优质的多倍体水稻提供了一定的理论依据。 This group insists on creating new Autotetraploid Rice (Oryza sativa L.) materials, while improving the seed-setting of them for many years, cultivated and selected the inbred line materials, has obtained the high generation inbred lines after twelve years cultivation. Compared to the early induced materials, which shown the low seed setting, and the large difference between the different plants in the same germ-line; the high generation materials have shown significant improvement in seed setting and more uniform phenotype agronomic traits. The autotetraploid rice high generation inbred lines material, which has been cultivated for more than 12 years, was chose in this experiment. The similarities and differences between autotetraploid and diploid rice was studied through morphological, agronomic and cytogenetic ways. The results showed that all the chromosome of autotetraploid materials are composed of 2N=4X=48, the pollen mother cells (PMC) meiosis behavior is normal, more than 99% chromosomes in metaphase I(MI) were federated and paired to form tetravalents or bivalents, which constitutes a consistent theory of genome. In the meiosis process, the material with a higher seed setting showed less chromosome abnormal than the material whose seed setting is lower. However, statistical analysis showed that the bivalent and tetravalent rate had no significant impact on seed setting, but the number of trivalent had a certain impact on seed setting. The result shows that the seed setting may be related to the meiosis behavior, which provides a basis to cultivate new autotetraploid germ line with high seed setting through the meiotic behavior. Furthermore, the agronomic and quality traits of autotetraploid rice high generation inbred material were statistically analyzed. The statistically analysis was focused on major agronomic traits such as: seed setting, grains per panicle, effective tillers and panicle length, as well as the important quality trait amylose content. The statistic data was compared with the data in 1996, when the first induced generation of autotetraploid material, and the result shows that after a multi-generation breeding, the agronomic traits has been significantly improved in all the materials, while the stability of agronomic traits also significant upgraded. For instant, the seed setting increased significantly, the average seed setting of all materials was significantly higher than the first induced generation, and the differences between different plants in the same species also significantly reduced, the average of the coefficient of variation (CV) was reduced from 41.15% in 1996 to 28.81% in 2008. Other important agronomic traits had improved in different degrees; the coefficient of variation within species is also reduced accordingly. In addition, the amylose content of autotetraploid and diploid materials was measured in this experiment. The results shows that the amylose content of some of the material differed from diploid parents significantly, it may caused by the genetic change during the inducing, autotetraploid materials intra-specific coefficient of variation (CV) average reduced from 6% in 1996 to 3.88% in 2008, shows that this is a significant increase of quality traits stability in autotetraploid rice. Agronomic traits of autotetraploid material shows some improvement after years of breeding, at the same time, after years of purification, all material within the germ-line gradually narrow the differences in traits indicates that autotetraploid rice genetic stability was enhanced, which laid a good foundation for the further autotetraploid rice breeding. Finally, this experiment studied the genetic differences between materials of two generations and researched the difference of genetic stability between diploid and autotetraploid rice materials through investigating the genetic polymorphism, genetic differences between materials and population genetic structure of inbred line materials of two consecutive years.18 pairs of SSR microsatellite markers for 15 materials of two generations were used in this experiment, and the total of 94 samples were analyzed. Through the amplification length polymorphism analysis of different materials and materials in different generations, the genetic distance between materials and generations was analyzed, a diploid and autotetraploid rice molecular fingerprint database and map rendering cluster were constructed. The result shows that the genetic distance is between 0.4757 to 0.2816 among different autotetraploid and diploid materials; the genetic distance between different generations of same species was less, but also shows a certain degree of genetic differences. The inter-generational genetic differences of autotetraploid materials were greater than of the diploid materials, which are 0.1359 to 0.0485 as the genetic distance; comparing with the 0.0388 of diploid materials. The result shows that high generation inbred autotetraploid rice material has a certain genetic stability, but the genetic variation between generations is still strong comparing with the source diploid materials. It indicates that, after many generations of purification cultivation, autotetraploid rice materials established a relatively stable genetic structure, at the same time, stronger variability than its diploid parents are useful in the breeding of new varieties, provides a genetic foundation to the agronomic and quality traits improvement. In addition, the analysis result shows that the through the molecular marker-assisted testing, rice genetic polymorphism between materials can effectively distinguish different species, provides a certain basis for molecular identification of varieties of rice. A series of investigation such as cytological identification, statistical analysis of agronomic traits, molecular marker-assisted cluster analysis was applied in this experiment to research genetic pattern of autotetraploid rice high generation inbred lines, revealed the genetic characteristics and the genetic composition of agronomic traits, provides a theoretical basis for the further selection of high quality autotetraploid rice.

散景效果的真实感绘制

针对现有方法绘制的散景效果真实感较差的问题,提出一种基于几何光学理论的散景效果真实感绘制方法.该方法以光线传播的折射定律为基础,利用序列光线追踪方法对相机镜头的光学成像特性进行精确建模;对相机镜头的内部结构进行精确模拟,包括孔径光阑和渐晕光阑,以绘制出由孔径形状和渐晕共同作用的散景效果;利用几何光学理论和序列光线追踪方法精确计算出出射光瞳的位置和大小,以辅助光线采样,提高光线追踪效率.绘制结果表明,利用该方法能够绘制出较为逼真的散景效果,正确模拟了孔径形状和渐晕对散景效果的影响,并具有较高的光线追踪效率.

一种草图形式的视频摘要生成方法

视频摘要作为一种视频内容的简要表示,能够有效地增强用户浏览和组织视频的效率。提出了一种基于草图的视频摘要生成方法。与以往的静态视频摘要方法不同,该方法结合视频内容分析,利用草图在表达上的简洁性和抽象性,对视频中的主要内容进行表达。首先通过视频分析获取视频中的语义特征并提取关键帧,然后通过交互式的方法从关键帧中生成草图,最后进行摘要布局生成完整的视频摘要。实验结果表明,该方法能够有效突出视频的主要对象和主要事件,并具有较高的用户满意度。