基于蒙特卡洛方法的屏幕空间环境光遮蔽技术研究

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1、基于蒙特卡洛方法的屏幕空间环境光遮蔽技术研究作者：指导教师：龙湘君李宣东教授邵栋副教授南京大学研究生毕业论文(申请工学硕士学位)南京大学软件学院2011年5月TheResearchofScreenSpaceAmbientOcclusionTechnologyBasedonMonte．．CarloMethodLONG，Xiangjun，一一SubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringSupervisedbyProfessorLI，Xu

2、andongAssociateProfessorSHAO，DongSoftwareInstituteNANJINGUNIVERSITYNanjing，ChinaMay，2011摘要近年来，计算机图形学技术在3D游戏，虚拟现实，电影等领域得到了广泛的应用，随着硬件的快速发展，尤其是GPU的不断改进，人们对于计算机生成图像的真实感要求越来越高。真实感图形绘制是计算机图形学一个重要的研究方向，它的主要目标是提高计算机图形渲染的真实感。在生成真实感图形的过程中，光照是重要基础。要生成真实感图形，不仅要考虑来自光源的直接光照，而且要考虑来自物体间反射以及

3、透射的间接光照。全局光照技术是一种包括直接光照和间接光照的光照技术，典型的传统全局光照技术有光线跟踪，辐射度算法，以及两者的混合算法。虽然传统的全局光照技术能够得到很接近现实的图形渲染效果，但是无论是光线跟踪，还是辐射度算法，它们的计算复杂度很高，需要很长的计算时间，因此并不能满足实时渲染的要求。所以大部分的实时渲染采用的光照方法是直接光照加一个漫反射常量以及一个环境光常量的传统局部光照模型，其中环境光常量是对物体间光线弹射的一种近似。传统局部光照模型渲染出来的图像很不真实，渐渐地无法满足人们日益增长的需求，所以各种各样的实时全局光照算法被开发

4、出来，其中环境光遮蔽(AmbientOcclusion，简称AO)是一种很重要的全局光照算法。环境光遮蔽计算物体因为周围物体的遮蔽而形成的阴影，它能很好地增强渲染场景的空间感和层次感，从而给人带来更好的真实感。另一方面经过改进的环境光遮蔽计算速度很快，能满足实时渲染的性能要求。屏幕空间环境光遮蔽(ScreenSpaceAmbientOcclusion，简称SSAO)，首先由Crytek提出，这种技术在屏幕空间内，通过采样每一个像素周围的信息(比如深度，法向量等)来计算环境光遮蔽。屏幕空间环境光遮蔽加速了环境光遮蔽的计算速度，同时保持着很好的渲染

5、效果，因此受到了工业界和学术界的广泛关注，并在3D游戏中得到了广泛的应用。本文介绍了真实感图形绘制中的全局光照技术，分析了当前的几种环境光遮蔽计算方法，并且提出了一种基于蒙特卡洛方法的环境光遮蔽计算方法(MonteCarlo．BasedSSAO)。这种算法基于蒙特卡洛方法，采用延时渲染技术，在屏幕空间内计算环境光遮蔽。相比其它算法，该算法具有下面的特点：·提高了环境光遮蔽计算的准确度。在计算环境光遮蔽值时，考虑采样点跟法向量的夹角以及采样点与考察点的距离，因此计算得到的遮蔽值更准确。·避免了自身遮蔽的问题。通过在考察点的法向量半球体内采样，避免

6、了因为自身遮蔽而导致渲染结果偏暗的问题。·使用反射的方法来解决明显的阴影边界问题，相比有些算法采用的旋转矩阵方法，采用反射的方法需要的计算时间少，因此提高了算法的执行速度。·采用球面随机的方法来生成采样点，使得采样点在球面上服从均匀随机分布，提高了采样质量。●采用正态分布来生成采样向量的长度，使得采样点更多在考察点附近产生，提高了采样质量。●算法在速度和质量上，对速度优先考虑，因此算法运行速度快。本文的实验从运行速度和渲染效果两个方面验证了算法的上述特点，由于本文的算法是一个延时的算法，因此可以很方便地被集成到采用延时渲染的游戏引擎中。另外算法

7、也可以被应用于视频，虚拟现实等领域。关键词：全局光照；环境光遮蔽；SSAO；真实感渲染；延时渲染Abstractnrecentyears，computergraphicstechnologieshavebeenwidelyusedinthe3Dgames，virtualreality，filmandotherfields．WiththerapiddevelopmentofhardwareespeciallytheimprovementofGPU，peopleseekformorephotorealisticrendereffectPhotore

8、alisticrendertechnologyincomputergraphicsisanimportantresearchdirectionitsm