基于FPGA的光线追踪研究

发布时间：2017-10-07 14:47

  本文关键词：基于FPGA的光线追踪研究

  更多相关文章： 弹跳射线法 射线追踪 八叉树 散射截面 可编程门阵列

【摘要】：弹跳射线法(Shooting and Bouncing Ray, SBR)算法通过射线追踪完成多次散射过程的计算,结果更为准确,广泛应用于高精度的雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)预测。考虑到SBR算法运算量大、计算时间长等缺点,本文先用八叉树算法优化SBR,又在可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)环境上进行硬件加速,提高算法的计算效率。这在目标识别、系统设计、隐身与反隐身等领域具有重要应用。本文基于八叉树加速的SBR算法,是先将整个场景按八叉树剖分原则进行树状剖分。当确定某一子节点作为追踪对象时,通过遮挡识别判断出明暗面,再分别经过线与包围盒、线与面的求交测试即可得出一次及多次反射效果。通过和经典SBR算法对比分析,可以验证出本文加速算法的正确性,而且计算量得到明显地简化。SBR的场强追踪是在得出每条射线追踪的路径上,计算各个反射面的出射场场强。将所有射线最终的出射场强进行累加,结合物理光学的远场积分计算,即可算出目标的RCS预估值。为进一步加速SBR,本文提出的基于FPGA的SBR加速方法预先将场景中所有面元等信息寄存于一个静态随机存储器(Static Random Access Memory, SRAM)中,基于FPGA的射线追踪计算、场强积分计算等模块都可实时地访问SRAM。相比较中央处理器(Central Processing Unit, CPU)的时分复用、顺序执行要有效地多。最后硬件仿真结果和CPU仿真结果进行比较,表明基于FPGA加速SBR不但计算精度高、而且大大提高了计算效率,运行时间加快了近600倍。这在一定程度上可以保证弹跳射线法的实时性,而且拓展其应用范围。
【关键词】：弹跳射线法 射线追踪 八叉树 散射截面 可编程门阵列
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN791;TN958
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 选题的背景与意义12-13
• 1.2 SBR的加速方法研究现状和发展趋势13-14
• 1.3 论文研究的主要内容14-16
• 1.4 论文研究的难点和创新点16-17
• 1.5 论文结构安排17-18
• 第二章 SBR算法研究18-40
• 2.1 标准射线路径追踪18-26
• 2.1.1 射线的划分及表示方法18-20
• 2.1.2 GO射线路径追踪20-26
• 2.2 场强追踪26-31
• 2.2.1 平面反射系数27-28
• 2.2.2 散射因子28-31
• 2.3 PO远场积分和RCS计算31-33
• 2.3.1 远场积分步骤31-33
• 2.3.2 RCS计算33
• 2.4 仿真实验33-38
• 2.5 本章小结38-40
• 第三章 基于八叉树的软件加速SBR研究40-50
• 3.1 八叉树的构造原理和生成方法40-42
• 3.1.1 八叉树基本剖分原理40-41
• 3.1.2 八叉树节点生成41-42
• 3.2 基于八叉树的SBR加速算法设计42-45
• 3.3 八叉树加速前后的计算量对比45-46
• 3.4 实验结果对比46-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第四章 基于FPGA的硬件加速SBR研究50-66
• 4.1 FPGA的发展现状和优势50-53
• 4.1.1 FPGA的现状和趋势50-52
• 4.1.2 本文FPGA开发环境介绍52-53
• 4.2 基于FPGA的SBR整体设计53-54
• 4.3 基于FPGA的射线追踪处理单元54-59
• 4.3.1 基于FPGA的求交计算55-57
• 4.3.2 基于FPGA的多次反射计算57-59
• 4.4 基于FPGA的场强处理和RCS计算59-61
• 4.5 实验结果及分析61-63
• 4.6 本章小结63-66
• 第五章 结论与展望66-68
• 5.1 结论66
• 5.2 展望66-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-74
• 研究成果及发表的学术论文74-76
• 作者和导师简介76-77
• 附件77-78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张健浪;;游戏的未来:光线追踪技术步入实用化[J];新电脑;2007年07期

2 马晓晨;孔小利;;基于深度八叉树的三维数据场LOD可视化[J];计算机应用;2010年01期

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本文编号：988465