基于Renderman规范的体渲染建模与实现

发布时间：2017-11-09 22:40

  本文关键词：基于Renderman规范的体渲染建模与实现

  更多相关文章： 体渲染 Raymarching 体纹理 单次散射 多次散射

【摘要】：近年来,计算机图形学技术与影视动漫事业的发展推动了真实感渲染技术的迅猛发展,照片级真实感的渲染图像应用于动漫、电影制作,为观众提供了震撼的视觉效果、为游戏玩家提供了身临其境的真实感,使得真实感渲染技术在影视特效、模拟仿真、虚拟现实等方面有着越来越广泛和重要的作用。材质在真实感渲染中有着重要的作用。mental ray等当今主流的商业渲染器都有自己的材质系统,它们的渲染技术也日趋成熟,尤其是实现难度相对较低的基本材质,比如玻璃、岩石、塑料等硬质材料。除了这些基本的低难度硬质材料,还有一些材质的渲染方法与基本材质截然不同,它们用于模拟特殊的大气形态和环境特效,这就是参与介质的渲染技术,即体渲染技术。参与介质是指存在于一定空间中,因充满比较大的颗粒而对光线产生不可忽略影响的介质,比如烟、雾、火、云等。参与介质的渲染则相应称为体渲染。光穿越参与介质内部受到的影响有三类：吸收、自发光、散射,有一部分光线被介质吸收,使得强度减弱；一部分光线因碰撞而被改变方向,散射到四面八方；而自发光的介质则增加光线的强度。硬质材料的渲染只需计算材质表面特征,而参与介质充满了整个体空间,其渲染实现需要对整个体空间进行积分计算。参与介质内部的散射错综复杂,每个介质颗粒都有散射的可能,不可能像硬质材料的表面计算那样去追踪每一条光线,否则计算量将非常庞大,在常规的体渲染中我们往往忽略这种复杂的多次散射,事实证明,在多数体渲染中,多次散射的效果并不是非常明显,只是在某些场景下效果比较突出。忽略了多次散射的体渲染即单次散射光照模型下的体渲染,是本文的重点,其核心技术是Raymarching方法。该方法用离散的方式近似实现了体空间内部的积分。而对于多次散射模型下的渲染,本文研究并给出了一种可行的实时渲染方法——Multiple forward scattering,这一过程用到相位函数(Phase function),相位函数是体渲染的散射函数,相当于反射中的BRDF模型。本文采用3D贴图产生体渲染的噪波——体纹理,来模拟参与介质内部密度分布不均匀的特性。2D贴图利用UV坐标将纹理贴于几何体表面,而3D纹理充满整个体空间,利用物体本身的坐标系统,所以3D纹理必需采用程序纹理,即利用程序过程产生体纹理,其优点是占用内存空间小、不会产生噪点。3D纹理可以作用于体渲染的颜色、自发光、浓度等通道,从各个维度对体渲染产生多样的变化。本文以3ds Max的“环境与效果”模块为主要突破口,建立了包括四种环境雾在内的体渲染系统,从浓度变化均匀的快速雾到利用贴图产生不均匀体纹理的环境雾,再到作用于灯光的灯光雾,对体渲染进行了比较全面的实现。在实现了体渲染的基本效果后,体渲染的速度仍然是个亟待解决的问题,由于采样点远远多于表面渲染,体渲染是非常耗时的。纵观世界上的主流商业渲染器如VRay、prman等,体渲染速度也依然是令人头疼的问题。提高渲染速度将是体渲染今后的研究方向和研究课题。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41

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本文编号：1163920