参与介质中的无偏光子聚集方法

发布时间：2017-05-25 02:03

  本文关键词：参与介质中的无偏光子聚集方法，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：基于物理光学模拟的真实感介质渲染算法一直是计算机图形学研究领域的重要方向。其烟雾,雪景,天空等场景在工业级的电影特效中大大加强了观影的真实感效果。其中涵盖了物理光学,数学统计概率论,几何,计算机渲染技术等多学科的专业知识。如今介质渲染领域有双向路径追踪(Bidirectional Path Tracing,简称为BDPT),光子映射(Photon Mapping)等一系列成熟的算法体系。其中的光子映射算法由于其高效的渲染速率而被广泛使用,然而其算法本身并不能保证无偏(Unbiased),因此最近一种无偏光子聚集(Unbiased Photon Gathering,简称为UPG)方法被提出用来解决光子映射算法的有偏(Biased)项。但其无偏方法只适用于无参与介质的场景中,而大多数光子映射算法的使用都是在有参与介质的环境场景中。因此如何改进无偏光子聚集方法使其能够进行介质场景中的渲染,就是本篇论文所要解决的问题。本文首先在开源的渲染引擎上实现了基于光子映射算法的无偏光子聚集方法。其无偏光子聚集方法是将传统的双向路径追踪与光子映射算法对应到顶点连并算法中,提高了双向路径追踪中子路径的重复利用率,加快了渲染速度。其无偏改进的核心思想：计算公式中的两项近似有偏估计项通过重写与采样估计的方式,转变为精确无偏项。为了使方法适用于介质渲染,本文从子路径采样技术改进、理论公式改造、无偏项估计的重要性采样、介质边界情况讨论四个方面来对原有的无偏光子聚集算法进行改进。并从理论上分析了参与介质中的无偏光子聚集算法与传统的光子映射,双向路径追踪算法的性能差异,同时给出了我们程序中实现的参与介质中的UPG+BDPT联合算法的整体框架。最后从渲染实验的结果对比中,充分展现了经过我们改进后适用于介质渲染的UPG+BDPT联合算法在渲染速率和无偏性上明显优于传统的双向路径追踪和光子映射算法。
【关键词】：介质渲染 无偏 光子映射 光子聚集 路径追踪 采样
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 课题背景12-14
• 1.2 相关研究现状14-16
• 1.3 工作难点16
• 1.4 论文贡献16-17
• 1.5 论文结构17-18
• 第2章 相关理论与算法18-42
• 2.1 光学渲染物理量18-19
• 2.2 双向散射分布函数19-20
• 2.3 渲染方程20-21
• 2.4 蒙特卡洛积分法21-22
• 2.5 重要性采样22
• 2.6 多重重要性采样22-23
• 2.7 介质光学性质23-27
• 2.8 路径追踪算法27
• 2.9 双向路径追踪算法27-28
• 2.10 渐进式光子映射算法28-31
• 2.11 顶点连并算法31-41
• 2.12 本章小结41-42
• 第3章 参与介质中的无偏光子聚集方法42-64
• 3.1 无偏光子聚集方法42-48
• 3.1.1 算法对照42-43
• 3.1.2 Photon Mapping算法的有偏项43-45
• 3.1.3 f_(VM)~c项的无偏估计45
• 3.1.4 p_(VM)~c项的无偏估计45-47
• 3.1.5 无偏估计算法框架47-48
• 3.2 子路径采样技术的改进48-49
• 3.3 原理论公式的改进49-52
• 3.3.1 测量贡献f~*(x)项49-52
• 3.3.2 概率密度函数p~*(x)项52
• 3.4 概率密度函数p_(VM)~c项无偏估计的改进52-55
• 3.5 介质边界情况的改进55-56
• 3.5.1 虚拟边界点的引入55
• 3.5.2 区分介质内外的MIS权重计算55-56
• 3.6 特殊情况下的处理56-59
• 3.6.1 无限远光源56-57
• 3.6.2 正交相机57
• 3.6.3 点光源与方向光57-58
• 3.6.4 镜面材质58-59
• 3.7 参与介质中的UPG算法性能分析59
• 3.8 参与介质中的UPG与BDPT的合并59-61
• 3.9 参与介质中的UPG+BDPT算法框架61-62
• 3.10 本章小结62-64
• 第4章 实验结果64-72
• 4.1 各算法性能对比64-67
• 4.2 无偏验证67-69
• 4.3 光子聚集半径r的影响69-70
• 4.4 在非均匀介质中70-71
• 4.5 本章小结71-72
• 第5章 总结与展望72-74
• 5.1 工作总结72-73
• 5.2 未来工作展望73-74
• 参考文献74-78
• 附录A：符号清单78-80
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果80-82
• 致谢82-84
• 作者简历84

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