基于gpu的直接体绘制算法研究与应用

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERDISSERTATION论文题目：基于GPU的直接体绘制算法研究与应用学科专业：计算机软件与理论指导教师：闵帆副教授作者姓名：陈瑜学号：200921060209万方数据ABSTRACT分类号密级UDC学位论文基于GPU的直接体绘制算法研究与应用陈瑜指导教师姓名闵帆幅教授电子科技大学成都申请学位级别硕士专业名称计算机软件与理论论文提交日期2012.3论文答辩日期2012.5学位授予单位和日期电子科技大学答辩委员

2、会主席评阅人年月日注1注明《国际十进分类法UDC》的类号万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得电子科技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表示谢意。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，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

3、许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学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。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日万方数据摘要摘要直接体绘制技术可以高效地对复杂的三维体数据进行部分或整体绘制，其较高的绘制速度以及灵活性可以满足用户不同的需要。直接体绘制的结果直观、立体，但往往缺乏一定的真实感，难以满足用户日益增长的视觉要求。本论文基于上述背景，研究提高实时绘制算法的真实感的方法。本文选择直接体绘制技术中经典的splatting算法作为研究对象

4、，通过研究球谐光照的相关理论，对现有的splatting算法流程中光照模拟与实时绘制两方面进行了改进，使用GPU对改进后的算法进行硬件加速，使其能够以较高的绘制效率进行高质量的图像绘制。在光照模拟方面，设计了一个合适的光照模型，该模型主要基于球谐光照理论，并考虑了对漫反射，镜面反射，以及阴影的模拟。其中，在模拟镜面反射效果时，使用基于经验的数学模型以提高计算效率，同时利用包含遮挡信息的漫反射光强值对其进行修正提高结果的真实感。通过在预计算阶段对光照模型中的函数进行球谐分解，大大降低了实时光照的计算复杂度。在实时绘制方面，为了减小splatt

5、ing算法绘制结果的走样程度，本文使用了一种在视线方向进行球谐重构的方法，即在绘制过程中将视点作为一个假想光源，重构该在假想光源的作用下各体素的光强，将其作为混合阶段对片元筛选的依据，避免了使用深度测试带来的混合走样；通过光源方向的球谐重构进行高效的光照模拟，在保证一定实时性的同时，有效提高了绘制结果的真实感。为了保证基于球谐重构的splatting算法的效率，考虑到实时绘制阶段的球谐重构具有较大的运算开销，本文将片元的球谐重构计算转移到GPU中加速进行，不仅减少了CPU与GPU之间的数据传送开销，也明显提高了渲染速率。通过实验结果证明，本

6、文使用的方法可以应用于复杂模型的实时渲染，在光源实时变动的情况下，不仅实现了包括漫反射，阴影在内的一系列光照效果，并且明显减小了绘制结果的走样程度。关键字：体绘制，splatting，光能传输模型，球谐函数，GPU加速I万方数据ABSTRACTABSTRACTDirectvolumerenderingofcomplex3Dvolumedatacanbeefficientlycarryoutwithitshighrenderingspeedandflexibilitytomeettheusers.Thedirectvolumerenderin

7、gresultisintuitiveandsolid,butoftenlackscertainrealism,whichisdifficulttomeetthegrowingvisualrequirementsofusers.Thisdissertationisbasedontheabovebackground,toimprovereal-timerealisticrenderingalgorithmtoenhancetherealismwhileguaranteetherealtimerendering.Wechoosetypicalsp

8、lattingalgorithmforstudy.Bylearningthetheoryofharmoniclight,weimprovedtheoriginalsplattin