用于室內(nèi)虛擬漫游的輻射度光照模型的研究_圖文

1、學(xué)校代號(hào)學(xué)號(hào)密級(jí) 湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文用于室內(nèi)虛擬漫游的輻射度光照模型的研究芏僮由逭厶蛙芻！型題昱巫整名壁驅(qū)整！筮堡副麴援王地蕉煎援埴羞皇僮；塑直太堂絲生堂醫(yī)童些名疊；毯住王捏迨塞握童旦塑；墮生且旦迨窒簦塑旦塑§生§且！日簦整委雖金圭韙；揚(yáng)蘊(yùn)生麴援工程碩十學(xué)位論文摘要光照模型是目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的熱點(diǎn)之，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。光照系統(tǒng)是生成照片級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)的重要組成部分，它的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的仿真程度。隨著計(jì)算機(jī)性能的成倍提高，以及娛樂(lè)行業(yè)迅速增長(zhǎng)的需求，虛擬現(xiàn)實(shí)光照技術(shù)開(kāi)始大規(guī)模的應(yīng)用，同時(shí)也推動(dòng)了相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展。本文圍繞用于室內(nèi)漫游的輻射度光照模型的建

2、立，對(duì)形狀因子的計(jì)算、層次結(jié)構(gòu)輻射度模型的分析、八叉樹(shù)場(chǎng)景計(jì)算、網(wǎng)格簡(jiǎn)化模型等基于輻射度算法中的關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)行了較為深入的研究和探討。在研究過(guò)程中，以比較、分析相關(guān)算法為重點(diǎn)，逐步展開(kāi)。針對(duì)室內(nèi)虛擬漫拼的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有的全局光照模型的算法進(jìn)行改進(jìn)，并通過(guò)演示系統(tǒng)對(duì)改進(jìn)后的效果加以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的算法在較好地保持原光照模型特征的同時(shí)，有效地簡(jiǎn)化了輻射度光照模型的計(jì)算量，使其能夠較好地應(yīng)用于室內(nèi)虛擬漫游系統(tǒng)。算法的提出、改進(jìn)及驗(yàn)證工作主要從以下三個(gè)方面開(kāi)展。在形狀因子的求解方法中，本文首先介紹了形狀因子的幾何概念，通過(guò)建立統(tǒng)一的模型來(lái)描述形狀因子的幾何性質(zhì)。在論述如何從用投影的方法計(jì)算微面

3、元到面片的形狀因子時(shí)，提出了如何將這種方法較好地運(yùn)用到室內(nèi)光照模型中的途徑和方法，并在應(yīng)用系統(tǒng)中得以驗(yàn)證。在建立輻射度光照模型的簡(jiǎn)化計(jì)算方法上，本文論述了合理的網(wǎng)格化場(chǎng)景是輻射度計(jì)算的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)分析傳統(tǒng)的網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法中的缺陷，探索性地提出一種網(wǎng)格模型的雙重簡(jiǎn)化算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在圖象質(zhì)量沒(méi)有明顯降低的情況下。該方法可以有效地減少場(chǎng)景中用于計(jì)算的網(wǎng)格面片，從而達(dá)到縮短場(chǎng)景渲染時(shí)間的目的。在層次輻射度算法中，本文論述了在保持求解精度的前題下，如何減少場(chǎng)景中需要計(jì)算形狀因子個(gè)數(shù)的優(yōu)化方法，并給出了實(shí)現(xiàn)此方法的流程設(shè)計(jì)，從原理上建立了多細(xì)節(jié)層次的數(shù)學(xué)模型。受到從圖像顏色量化的八叉樹(shù)運(yùn)用研究的啟發(fā)

4、，在建立場(chǎng)景邏輯結(jié)構(gòu)的方法中，探討了如何將八叉樹(shù)方法引入到基于輻射度算法的室內(nèi)虛擬漫游場(chǎng)景的建模中。關(guān)鍵詞：輻射度算法；虛擬現(xiàn)實(shí)：形狀因子；網(wǎng)格簡(jiǎn)化；層次輻射度模型用于室內(nèi)虛擬漫游的輻射度光照模型的研究，仃，：；用丁室內(nèi)虛擬漫游的輻射度光照模型的研究插圖索引圖輻射度與光亮度的關(guān)系圖微形狀因子和形狀因子的幾何說(shuō)明圖投影幾何關(guān)系圖形狀因子與立體角的關(guān)系圖計(jì)算形狀因子的單位半球面方法圖場(chǎng)景的網(wǎng)格模型圖子結(jié)構(gòu)技術(shù)流程圖圖四叉樹(shù)節(jié)點(diǎn)間的能量交換圖節(jié)點(diǎn)間的形狀因子估計(jì)圖遍歷八叉樹(shù)以查找顏色圖八叉樹(shù)分割后的場(chǎng)景圖沿著視錐檢測(cè)立方體圖受光后的室內(nèi)墻壁圖用半立方體計(jì)算后顯示的象素圖傳遞類(lèi)型圖傳遞類(lèi)型圖重復(fù)使用步

5、驟后的顯示圖半間距內(nèi)使用步驟圖“裂縫”示意圖與型接頭示意圖圖模型的簡(jiǎn)化程度隨；圖模型的簡(jiǎn)化程度隨圖系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置圖標(biāo)準(zhǔn)的輻射度算法渲染結(jié)果圖標(biāo)準(zhǔn)的直向照明的渲染結(jié)果圖使用方法簡(jiǎn)化形狀因子的計(jì)算結(jié)果圖使用方法簡(jiǎn)化形狀因子和層次結(jié)構(gòu)衰減控制。湖南大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：扣蕁丸曰期：時(shí)年月刃日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完

6、全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書(shū)。、不保密團(tuán)。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）瓠日期：掃略年月口日拯日期：。越年月日扣丸翱辦介五名名簽簽者師作導(dǎo)工程碩士學(xué)位論文整體光照理論概述第章緒論計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的迅速發(fā)展是近年來(lái)有目共睹的事實(shí)，它是在經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其研究成果得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的真實(shí)感圖形學(xué)研究只考慮場(chǎng)景中的局部光照現(xiàn)象

7、，也就是說(shuō)，場(chǎng)景中的個(gè)物體的表面光照強(qiáng)度只取決于它與光源的相對(duì)位置和是否有其他物體的陰影投射到它的表面上，在繪制時(shí)再加入觀察角度，視口裁剪等因素。隨著硬件設(shè)備性能不斷提高，為突出局部光照模型的桎梏提供了硬件支持的可能性。而且，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用目益廣泛，它在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、模擬仿真、廣告影視、指揮控制、科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展和深化，使得對(duì)所生成圖形的質(zhì)量要求越來(lái)越高。因而，采用整體光照模型在一定范圍內(nèi)取代局部光照模型，已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。在考慮物體造型、視口裁剪、遮擋關(guān)系、明暗處理的局部化光照模型的基礎(chǔ)上，整體考慮場(chǎng)景中的物體，也就是不僅考慮物體間的遮擋關(guān)系，還要考慮它們

8、表面之間的透射、反射（鏡面反射和漫反射）和折射關(guān)系。為可見(jiàn)物體的顏色和光照效果建立模型是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它涵蓋物理學(xué)和心理學(xué)兩方面的內(nèi)容。這罩以一個(gè)光照模型的例子來(lái)說(shuō)明局部和整體光照模型的不同效果。設(shè)在一四周是白墻面的房間內(nèi)，天花板上懸掛一盞日光燈，地板上放著一個(gè)桌子，桌子上鋪有米黃色的桌布，桌布上放著一個(gè)紅色的暖瓶。如果使用局部光照模型，在白色光源的照射下，墻面是白色的，桌面是黃色的，暖瓶是紅色的。雖然由于物體間的遮擋和物體各點(diǎn)上的光強(qiáng)使得物體上呈現(xiàn)不同的光照效果，但是物體各自的基本色彩是一定的。如果使用整體光照模型，在白色照射下，桌面的黃色調(diào)與暖瓶的紅色調(diào)將會(huì)相互影響，桌面不再是單一的

9、黃色，而是黃里透紅，暖瓶也不再是單一的紅色，而是顯出黃暈。顯然，這種整體光照模型的效果更加符合實(shí)際情況，而局部光照模型的效果則顯得單調(diào)、呆板。因此，整體光照模型的算法就是真實(shí)感圖形繪制（）技術(shù)的核心算法之一。在整體光照模型中，所謂光能傳遞，是指物體表面反射物體吸收一定波長(zhǎng)以外的光能，把未吸收的光能反射，并使其在封閉環(huán)境中進(jìn)行面與面之間的傳遞。所以光能傳遞必須滿足三個(gè)條件：一是場(chǎng)景封閉；二是場(chǎng)景內(nèi)有原始的未被吸收的光能；三是傳遞方式為從面到面。人們之所以能夠看到物體有不同的顏色，是由物體表面的屬性所決定的。物體吸收一定波長(zhǎng)的光能，而未被吸收的那一部分光能則反射到人的眼睛罩，由此產(chǎn)生顏色，用于室內(nèi)

10、虛擬漫游的輻射度光照模型的研究使人們能夠看到物體。如果一束全波段光波射到一白色物體和靠近白色物體的紅色物體上，則白色物體并不吸收任何可見(jiàn)波波長(zhǎng)的光能，它直接將接收的光能全都反射出去。而紅色物體則可以吸收除紅色波長(zhǎng)以外的所有可見(jiàn)光光能，只是把紅色波長(zhǎng)的光能反射出去。這樣，白色物體從環(huán)境中獲得的光能出現(xiàn)了不平衡狀況，紅色光波的能量占多數(shù)，也就是說(shuō)，這時(shí)在紅白兩物體之間發(fā)生了光能的傳遞。整體光照模型的研究始于上個(gè)世紀(jì)八十年代初，其主要算法有兩種：一是以幾何光學(xué)為理論基礎(chǔ)的光線跟蹤（）算法；二是以熱輻射理論為基礎(chǔ)的光能輻射度算法（）。雖然現(xiàn)有的圖形系統(tǒng)在繪圖質(zhì)量上大有提高，但由于復(fù)雜場(chǎng)景在時(shí)間和空問(wèn)的

11、大量消耗，使得許多圖形系統(tǒng)難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。象常見(jiàn)的三維動(dòng)畫(huà)制作系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)建模平臺(tái)中都還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)整體光照效果。即使是圖形系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)中也沒(méi)有與整體光照模型有關(guān)的函數(shù)調(diào)用。雖然通過(guò)計(jì)算整體光照模型可以產(chǎn)生精確、逼真的場(chǎng)景，但是客觀地講，快速、高效、成熟而不十分精確的局部光照模型依然是大眾化的圖形系統(tǒng)的核心技術(shù)，整體光照取而代之雖然是大勢(shì)所趨，但要成為產(chǎn)品，仍需付出艱辛的努力。輻射度光照模型的研究現(xiàn)狀就目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的水平而言，只要有足夠的計(jì)算時(shí)間，就能生成精確的照片級(jí)圖像。但虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)要求的是實(shí)時(shí)圖形生成，由于受時(shí)間的限制，很多時(shí)候不得不以降低虛擬場(chǎng)景的幾何復(fù)雜度和圖象質(zhì)量，或采

12、用其他技術(shù)（如紋理映射）來(lái)?yè)Q取所需的實(shí)時(shí)顯示速度。輻射度算法是繼光線跟蹤算法后真實(shí)感圖形繪制技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展。盡管光線跟蹤算法成功地模擬了景物表面間的鏡面反射、規(guī)則透射及陰影等整體光照效果，但由于光線跟蹤算法的采樣特性以及光照明模型的不完善性，該方法很難模擬景物表面之間的多重漫反射效果，因而不能重現(xiàn)諸如色彩輝映等光照現(xiàn)象。它所生成的圖形往往是超現(xiàn)實(shí)的。年，美國(guó)大學(xué)和日本廣島大學(xué)的學(xué)者分別將熱輻射工程中的輻射度算法引入到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，用輻射度算法成功地模擬了理想漫射表面間的多重漫反射效果。盡管初期實(shí)驗(yàn)例子中的場(chǎng)景非常簡(jiǎn)單，但經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展后，許多有效的輻射度算法相繼提出，所模擬的場(chǎng)景越來(lái)越真

13、實(shí)，生成了一批十分精致的真實(shí)感圖形。光照模型和繪制算法有所不同，輻射度算法基于物理學(xué)中的能量平衡原理，它采用數(shù)值求解技術(shù)來(lái)近似計(jì)算每一物體表面上的輻射度分布。由于場(chǎng)景中景物表面的輻射度分布與視點(diǎn)選取無(wú)關(guān)，因而輻射度算法是一個(gè)視點(diǎn)獨(dú)立（）的算法。輻射度算法的這一特點(diǎn)使得它被廣泛應(yīng)用于虛擬場(chǎng)景的漫游（）系統(tǒng)中。標(biāo)準(zhǔn)輻射度算法假定場(chǎng)景中景物表面均為理想漫反射表面。為了克服這一限制，程碩士學(xué)位論文許多研究者推廣了輻射度算法使之能處理包含鏡面（理想或非理想）、透射表面以及各種紋理表面的復(fù)雜環(huán)境，從而使該模型較之模型更為完善，模擬的光照明效果亦更為真實(shí)。除此之外，輻射度算法還被推廣到能處理含有介質(zhì)（如煙、

14、霧）的場(chǎng)景中。提高算法效率是輻射度算法研究的重要方面。由于輻射度方程的計(jì)算復(fù)雜度為（）（其中為場(chǎng)景中的面片數(shù)），對(duì)一個(gè)復(fù)雜的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，用輻射度算法繪制一幅畫(huà)面需用很長(zhǎng)的時(shí)間，這給它的應(yīng)用帶來(lái)了許多不利因素。為克服輻射度算法的這一缺點(diǎn)，。”等于年提出了計(jì)算復(fù)雜度為（）的逐步求精輻射度算法。該算法能快速地求得場(chǎng)景輻射度方程的近似解，并將所生成的圖形立即顯示在屏幕上，隨著迭代過(guò)程的進(jìn)行，所求得的景物表面輻射度逐漸逼近精確解。而等則采用層次結(jié)構(gòu)技術(shù)。將輻射度算法的計(jì)算復(fù)雜度降為線性復(fù)雜度。這些工作為輻射度算法的廣泛應(yīng)用打下了峰實(shí)的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀一個(gè)虛擬場(chǎng)景是否逼真和自然，取決于用戶通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)

15、、觸覺(jué)、嗅覺(jué)以及重力感來(lái)獲取的該場(chǎng)景的主觀感覺(jué)。其中的感知信息是由眼睛獲取的，所以視覺(jué)感知的質(zhì)量在用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景的主觀感知中占有最重要的地位“。（）是在國(guó)家“”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃支持下開(kāi)發(fā)的一個(gè)分布式虛擬環(huán)境基礎(chǔ)信息平臺(tái)。在該平臺(tái)上模擬不同時(shí)間段的演練，必須要生成虛擬環(huán)境中可能存在的各種光照效果，才能使用戶產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境類(lèi)似的視覺(jué)感知并沉浸于浚虛擬環(huán)境之中。然而，中基于真實(shí)地理信息數(shù)據(jù)，（）的多精度大規(guī)模的虛擬自然環(huán)境，包括了逼真的自然景象和豐富的文化特征”。其中所包含的物體不但范圍廣泛、種類(lèi)繁多，而且大部分物體的模型中具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)、多層（）的描述和部分物理特性的數(shù)據(jù)表示。在這樣一個(gè)復(fù)雜

16、的大規(guī)模虛擬環(huán)境中設(shè)置一定數(shù)量、多種類(lèi)型、甚至可以移動(dòng)的光源，并計(jì)算環(huán)境中相關(guān)物體模型在這些光源影響下的光照效果，雖然能夠較大幅度地增強(qiáng)系統(tǒng)的逼真性，但是同時(shí)也帶來(lái)了大量的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的急劇下降。中科院的李洪舉。通過(guò)采用一種新的表示方法實(shí)現(xiàn)了辦公室內(nèi)的虛擬漫游。該表示由定義在經(jīng)緯度平面上的光強(qiáng)一距離函數(shù)組成，并且支持個(gè)自由度的全景瀏覽、連續(xù)變焦以及任意路線的移動(dòng)。一毋綜合圖方法結(jié)合了基于幾何和基于圖像的繪制技術(shù)，一毋綜合圖既可以通過(guò)幾何建模和繪制的方式用計(jì)算機(jī)合成，也可以由照片和距離圖像經(jīng)過(guò)變換生成，不需要苛刻的拍攝條件和專(zhuān)門(mén)的拍攝設(shè)備，有很強(qiáng)的實(shí)用性。國(guó)內(nèi)外對(duì)該問(wèn)題的研究已經(jīng)

17、有一定的進(jìn)展。美國(guó)的計(jì)劃以及與聯(lián)合丌展的戰(zhàn)爭(zhēng)綜合演練場(chǎng)，在生成應(yīng)用于夜戰(zhàn)演練的環(huán)境視景時(shí)，采用進(jìn)一步細(xì)化幾何模型的方法提高光照效果的逼真程度，這種方法增加了系統(tǒng)用丁室，虛擬漫游的輻射度光照模型的研究必須處理的多邊形個(gè)數(shù)，并且沒(méi)有考慮全局環(huán)境光的變化對(duì)其中某些局部光產(chǎn)生的影響?！啊痹鶕?jù)各向異性的云層模型和環(huán)境光的照射作用生成不同時(shí)間段的環(huán)境效果，“”也基于真實(shí)自然環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)分析模型計(jì)算環(huán)境光的變化，雖然這兩種方法能夠生成不同時(shí)間段的逼真圖像，但很難應(yīng)用到要求實(shí)時(shí)性能的視景仿真系統(tǒng)中。同時(shí)也存在些方法犧牲一定程度的視景逼真性來(lái)保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性?！钡穆蜗到y(tǒng)用種不考慮光的漫射作用的計(jì)算模型，替代光

18、照模型；和“為了獲得個(gè)能夠用于實(shí)時(shí)交互、具有光照效果的虛擬場(chǎng)景，提出了一個(gè)基于線性空間層次的光照計(jì)算模型，使用戶在不同的光照效果下實(shí)時(shí)操作能夠運(yùn)動(dòng)的實(shí)體，但其場(chǎng)景模型僅包括幾千個(gè)多邊形。這兩種降低場(chǎng)景逼真程度的方法，一般只適用于規(guī)模較小、光源較少的系統(tǒng)中。同時(shí)，和“】等人正致力于利用特別的硬件加速圖形計(jì)算，這雖然能使系統(tǒng)實(shí)時(shí)繪制逼真的光照效果，但很難在大多數(shù)系統(tǒng)中應(yīng)用。目前，提出的基于分類(lèi)虛擬頂點(diǎn)的光照計(jì)算方法，能夠使交互系統(tǒng)中光反射的實(shí)時(shí)逼真效果有所增強(qiáng)，；而將生成的視景分為遠(yuǎn)景、近景與合成對(duì)象，結(jié)合圖形和圖像生成技術(shù)實(shí)時(shí)繪制虛擬環(huán)境中的光照效果“?！啊碧岢隽朔纸夥椒▽?duì)場(chǎng)景的整體光照效果進(jìn)行

19、模擬，他將場(chǎng)景的整體光照效果分為與視點(diǎn)無(wú)關(guān)和與視點(diǎn)相關(guān)的兩部分，通過(guò)一個(gè)繪制算法對(duì)兩種光照效果進(jìn)行混合，對(duì)于普通復(fù)雜度（包含較少鏡面反射面片）的場(chǎng)景能夠達(dá)到實(shí)時(shí)繪制的效果，與視點(diǎn)無(wú)關(guān)的部分，采用普通的輻射度算法進(jìn)行繪制而對(duì)于與視點(diǎn)相關(guān)的部分，則先進(jìn)行計(jì)算并采用方法進(jìn)行采樣和存儲(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，給出了一個(gè)基于幾何造型和基于圖像繪制的混合系統(tǒng)，在工作站上實(shí)現(xiàn)了大型建筑場(chǎng)景的虛擬漫游。以上基于各種分類(lèi)方法的光照模型的計(jì)算思想，對(duì)本文的研究工作有一定的啟發(fā)作用。目前存在的問(wèn)題分析對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的虛擬環(huán)境來(lái)說(shuō)，它所期待的目標(biāo)自然是高質(zhì)量、高逼真度的真實(shí)感圖形，使用全局光照模型顯示具有復(fù)雜場(chǎng)景的真實(shí)感圖形

20、必然是所追求的目標(biāo)。就全局光照模型而占，光線跟蹤算法由于其開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大且與視點(diǎn)相關(guān)，因而在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)不可能作為虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)瀏覽的可用的光照模型，而輻射度技術(shù)則可在景物之間計(jì)算光能分布，其計(jì)算結(jié)果與視點(diǎn)無(wú)關(guān)。而且，大量的計(jì)算可作為預(yù)計(jì)算保存，因而極有可能成為虛擬現(xiàn)實(shí)中真實(shí)感圖形生成的工具，國(guó)外已有一些試驗(yàn)性系統(tǒng)成功地使用輻射度技術(shù)生成的光照模型。在輻射度計(jì)算中，為精確捕捉由于物體間相互遮擋所引起的陰影及其他一些光照效果，場(chǎng)景中的表面往往被分解得非常細(xì)，輻射度計(jì)算結(jié)果的模型復(fù)雜度往往是原有場(chǎng)景的幾十甚至上百倍。雖然人們相繼提出自適應(yīng)劃分以及各種陰影的生成方法，有效地減少了整個(gè)場(chǎng)景的復(fù)雜度。但對(duì)

21、于一個(gè)復(fù)雜場(chǎng)景的輻射度光照模型，其復(fù)雜度已單碩十學(xué)位論文遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今計(jì)算機(jī)圖形工作站所能的繪制的能力。這個(gè)問(wèn)題隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大而變得益尖銳和亟待解決。因此，如何在保證虛擬場(chǎng)景中逼真光照效果的同時(shí)，盡量減少計(jì)算用時(shí)的開(kāi)銷(xiāo)來(lái)獲得理想的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能，正是本文將要討論和解決的主要問(wèn)題。選題背景及意義近年來(lái)，建筑物尤其室內(nèi)建筑的虛擬漫游吸引了很多人的目光。大多數(shù)只是實(shí)現(xiàn)了樣板間的度全景圖瀏覽，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)人們所期望的允許用戶交互漫游的要求，在現(xiàn)有硬件條件下，真實(shí)感和實(shí)時(shí)性往往是需要均衡考慮的兩個(gè)方面，采用何種均衡系統(tǒng)策略就成了室內(nèi)虛擬漫游系統(tǒng)的核心問(wèn)題。光照模型是目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究

22、的熱點(diǎn)之，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。光照系統(tǒng)是生成照片級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)的重要組成部分，它的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的的仿真程度。隨著計(jì)算機(jī)性價(jià)比的成倍提高，以及娛樂(lè)行業(yè)（影視制作、電子游戲等）迅速增長(zhǎng)的需求，特別是大型三維電子游戲的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)光照技術(shù)開(kāi)始大規(guī)模的應(yīng)用，同時(shí)也推動(dòng)了相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展。生成真實(shí)感圖形的主要算法有：光線跟蹤算法和輻射度算法?；谳椛涠人惴ǖ墓庹漳Ｐ褪巧蟼€(gè)世紀(jì)年代中期由等人提出的。按熱輻射的規(guī)律來(lái)處理光線的發(fā)射、傳播和反射的方法成功地解決了光線跟蹤算法所不能解決的顏色滲透現(xiàn)象。由于輻射度算法生成的圖形更為逼真且與視點(diǎn)無(wú)關(guān)，但其計(jì)算過(guò)程十分復(fù)雜，時(shí)間和空間上的代價(jià)相

23、當(dāng)之大，對(duì)硬件的要求相對(duì)甚高。針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員提出了半立方體法求解形狀因子，采用逐步求精輻射度的方法來(lái)求解輻射度方程。這種方法對(duì)輻射度光照模型做了很大的改進(jìn)，使其計(jì)算復(fù)雜度大大降低，并向?qū)嵱眯赃~出了一大步，盡管目前該方法還不夠成熟，但很有發(fā)展前途。真實(shí)世界的場(chǎng)景中包含不同反射屬性的各種物體，對(duì)于理想漫反射物體的封閉環(huán)境，輻射度算法的引進(jìn)，尤其是層次輻射度算法，以及其后提出的方法，使得復(fù)雜漫反射場(chǎng)景的全局光照模擬和實(shí)時(shí)漫游成為可能。但是，包含光滑面片的復(fù)雜場(chǎng)景的虛擬漫游仍然沒(méi)有很好的解決方案。以往都是采用光線跟蹤算法來(lái)模擬鏡面反射效果，但光線跟蹤算法需要從視點(diǎn)發(fā)出大量的光線，計(jì)算量非常之大

24、。近幾年，基于圖像的繪制技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，使實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的虛擬漫游成為可能。由于輻射度算法應(yīng)用的前題是在一個(gè)封閉的空間中觀察物體，它求解過(guò)程與場(chǎng)景中的視點(diǎn)位置無(wú)關(guān)，因而一旦給定了視點(diǎn)和視線的方向，就可用任一消隱算法來(lái)繪制場(chǎng)景。當(dāng)視點(diǎn)和視線改變方向時(shí)，不需重新計(jì)算場(chǎng)景中各面片上的輻射度值，只需重新繪制場(chǎng)景即可。這一特性，使得輻射度算法特別適合于室內(nèi)虛擬漫游場(chǎng)景的繪制。群碩十學(xué)位論文遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今計(jì)算機(jī)圖形工作站所能的繪制的能力。這個(gè)問(wèn)題隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大而變得益尖銳和亟待解決。因此，如何在保證虛擬場(chǎng)景中逼真光照效果的同時(shí)，盡量減少計(jì)算用時(shí)的開(kāi)銷(xiāo)來(lái)獲得理想的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能，誰(shuí)是本文將要

25、討論和解決的辛要問(wèn)題。選題背景及意義近年來(lái)，建筑物尤其室內(nèi)建筑的虛擬漫游吸引了很多人的目光。大多數(shù)只是實(shí)現(xiàn)了樣板間的度全景圖瀏覽，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)人們所期望的允許用戶受互漫游的要求，在現(xiàn)有硬件條件下，真實(shí)感和實(shí)時(shí)性往往足需要均桶考慮的礬個(gè)方面，采用何種均衡系統(tǒng)策略就成了室內(nèi)虛擬漫游系統(tǒng)的核心問(wèn)題。光照模型是目前計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的熱點(diǎn)之。，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。光照系統(tǒng)是生成照片級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)的重要組成部分，它的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的的仿真程度。隨著計(jì)算機(jī)性價(jià)比的成倍提高，以及娛樂(lè)行業(yè)（影視制作、電子游戲等）迅速增長(zhǎng)的需求特別是人型維電子游戲的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)光照技術(shù)開(kāi)始人規(guī)模的應(yīng)用同時(shí)也推

26、動(dòng)了午關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展。生成真實(shí)感圖形的主要算法有：光線跟蹤算法和輻射度算法?；谳椛涠人惴ǖ墓庹漳Ｐ褪巧蟼€(gè)世紀(jì)年代中期由等人提出的。按熱輻射的規(guī)律來(lái)處理光線的發(fā)射、傳播和反射的方法成功地解決了光線跟蹤算法所不能解決的顏色滲透現(xiàn)象。出于輻射度算法生成的圖形更為逼真且與視點(diǎn)無(wú)關(guān)，但其訓(xùn)算過(guò)程十分復(fù)雜，時(shí)間和空間上的代價(jià)相當(dāng)之大，利硬件的要求相對(duì)甚高。針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員提出了半立方體法求解形狀因子，采用逐步求精輻射度的方法來(lái)求解輻射度方程。這種方法對(duì)輻射度光照模型做了根大的改進(jìn)，使其計(jì)算復(fù)雜度大大降低，并向?qū)嵱眯赃~出了一大步，盡管目前該方法還不夠成熟，但搬有發(fā)展前途真實(shí)世界的場(chǎng)景中包岔不同反

27、射屬性的各種物體，對(duì)于理想漫反射物體的封閉環(huán)境，輻射度算法的引進(jìn)，尤其是層次輻射度算法，以及其后提出的“方法，使得復(fù)雜漫反射場(chǎng)景的全局光照模擬和實(shí)時(shí)漫游成為可能。但是，包臺(tái)光泔畫(huà)片的復(fù)雜場(chǎng)景的虛擬漫游仍然沒(méi)有很好的解決方案。以往都是采用光線跟蹤算法米模擬鏡面反射效果，但光線跟蹤算法需要從視點(diǎn)發(fā)出大量的光線，計(jì)算量非常之大。近幾年，基于圖像的繪制技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，使實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的虛擬漫游成為可能。由于輻射度算法應(yīng)用的前題是在一個(gè)封閉的空間中觀察物體，它求解過(guò)程與場(chǎng)景中的視點(diǎn)位置無(wú)關(guān)，因而一旦給定，視點(diǎn)和視線的方向。就可用任一消隱算法來(lái)繪制場(chǎng)景。當(dāng)視點(diǎn)和視線改變方向時(shí)，不需重新計(jì)算場(chǎng)景中蚤面片上的

28、輻射度值，只需重新繪制場(chǎng)景即可。這一特性，使得輻射度算法特別適合于室內(nèi)虛擬漫游場(chǎng)景的繪制。新繪制場(chǎng)景即可。這一特性，使得輻射度算法特別適合于參內(nèi)虛擬漫游場(chǎng)景的繪制。用于室內(nèi)虛擬漫游的輻射度光照模型的研究論文的主要工作及論文結(jié)構(gòu)本文主要探討真實(shí)感圖形繪制中的一種全局光照模型一輻射度全局光照模型，提高輻射度全局光照模型的算法效率，使它能從圖形工作站轉(zhuǎn)到桌面級(jí)機(jī)實(shí)現(xiàn)、成功模擬景物表面的多重漫反射效果，實(shí)現(xiàn)光線跟蹤算法所不能解決的物體問(wèn)色彩輝映等問(wèn)題。根據(jù)場(chǎng)景中景物表面的輻射度分布與視點(diǎn)選取無(wú)關(guān)，探索其在室內(nèi)虛擬漫游中的應(yīng)用。因?yàn)楸疚纳婕暗降闹R(shí)面比較廣，所以不可能逐個(gè)深入，本文研究輻射度算法的主要工

29、作如下：（）提高形狀因子計(jì)算效率的研究。通過(guò)對(duì)相似性原理的分析，得到如下提示：可以建立一個(gè)基于微立體角的微形狀因子查找表提高形狀因子的計(jì)算效率，采用半球面分割技術(shù)簡(jiǎn)化形狀因子的求解計(jì)算。改進(jìn)了半立方體技術(shù)采用緩存器算法決定可見(jiàn)面方法的不足，直接采用光線投射方法決定各球面象素中的可見(jiàn)面。（）層次結(jié)構(gòu)輻射度算法的研究。在建立和求解場(chǎng)景的整體輻射度方程時(shí)，景物表面被分割成一些較粗的面片，當(dāng)它從別的面片接受能量時(shí)，則被分割成較細(xì)的一些面元，這樣，景物在輻射和接受能量時(shí)，對(duì)應(yīng)兩種剖分方法，在保證景物表面在輻射度變化較大的區(qū)域的輻射度精度的同時(shí)，提高了計(jì)算效率。（）子結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究。在子結(jié)構(gòu)技術(shù)中，研究了

30、保持求解精度的同時(shí)減少場(chǎng)景中需要計(jì)算形狀因子個(gè)數(shù)的優(yōu)化方法，并給出了實(shí)現(xiàn)子結(jié)構(gòu)技術(shù)的流程設(shè)計(jì)，從原理上建立了多細(xì)節(jié)層次模型。（）輻射度方法中引入八叉樹(shù)的研究。八叉樹(shù)廣泛應(yīng)用于消隱面的計(jì)算，從圖像顏色量化的八叉樹(shù)運(yùn)用的研究中得到啟發(fā)，優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)了將八叉樹(shù)引入到輻射度模型中來(lái)建立場(chǎng)景的邏輯結(jié)構(gòu)。（）基于輻射度算法的網(wǎng)格簡(jiǎn)化模型的探索。合理的網(wǎng)格劃場(chǎng)景是輻射度計(jì)算的重要環(huán)節(jié)，所以本文在簡(jiǎn)化輻射度計(jì)算的研究中，對(duì)基于輻射度算法的網(wǎng)格簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了一些探索。比較分析了傳統(tǒng)網(wǎng)格簡(jiǎn)化方法中的缺陷，探索性的提出網(wǎng)格簡(jiǎn)化模型的一種雙重簡(jiǎn)化方法，先采用合并法進(jìn)行初步簡(jiǎn)化，然后用遞歸分割法簡(jiǎn)化合并后面片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

31、明，在圖象質(zhì)量沒(méi)有明顯降低的情況下，有效的減少了場(chǎng)景中用于計(jì)算的網(wǎng)格面片。本文最后，分析了光照模型渲染系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和今后進(jìn)一步的研究工作。小結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了整體光照理論，分析了全局光照模型的發(fā)展動(dòng)態(tài)以及在室內(nèi)虛擬漫游中的應(yīng)用概況，分析了在基于輻射度算法的光照模型的研究中所存在的問(wèn)題，工程碩士學(xué)位論文綜述了其中若干方面的研究在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。最后，列出了本文所做的主要工作。用丁室內(nèi)虛擬漫游的輻射度光照模型的研究第章輻射度光照模型的建立實(shí)際場(chǎng)景中大多數(shù)景物表面為漫射面，如墻壁、地面、樹(shù)木、花草等。如同景物表面之間存在鏡面反射和規(guī)則透射一樣，漫射表面之間亦存在光能傳遞。在日常生活中，靠墻懸掛

32、的紅衣服會(huì)給潔白的墻面留下一片淡淡的紅暈，這種相距較近的景物表面之間的顏色輝映現(xiàn)象工是表面之間漫射光能傳遞的結(jié)果。輻射度算法基于熱輻射工程中的能量傳遞和守恒理論，即一個(gè)封閉環(huán)境中的能量經(jīng)多重反射以后，最終會(huì)達(dá)到一種平衡狀態(tài)。由于這種能量平衡狀態(tài)可以用一系統(tǒng)方程來(lái)定量表達(dá)，因而與以往光照明模型和繪制算法不同，輻射度算法是一種整體求解技術(shù)。事實(shí)上，一旦得到輻射度系統(tǒng)方程的解，就知道了每個(gè)景物表面的輻射度分布，進(jìn)而就可選取一個(gè)視點(diǎn)和視線方向?qū)φ麄€(gè)場(chǎng)景進(jìn)行繪制。為此，首先推導(dǎo)封閉漫射環(huán)境的輻射度系統(tǒng)方程。一般輻射度方程的建立輻射度與光量度的關(guān)系推導(dǎo)如圖，假設(shè)一個(gè)封閉環(huán)境中的景物表面均為理想漫反射表面，

33、即景物表面上每一點(diǎn)向周?chē)h(huán)境各個(gè)方向輻射的光亮度是相同的，表面各點(diǎn)處的光亮度，只與其位置有關(guān)，與輻射的方向無(wú)關(guān)。假設(shè)卯為表面某一點(diǎn)處單位面積上朝某輻射方向發(fā)出的光通量，則由光亮度的定義知，卯與該點(diǎn)處沿同一方向的光亮度，的關(guān)系為公式（）：圖輻射度與光亮度的關(guān)系（）其中為該點(diǎn)處的法向與輻射方向之問(wèn)的夾角，）為輻射方向?qū)?yīng)的立體角。則該點(diǎn)處單位面積面元向其四周半空間輻射的總能量，即該點(diǎn)的總輻射度即為：上程碩十學(xué)位論文護(hù)鮒（）如其中為該點(diǎn)處表面朝法線方向的半球面空間。由于與立體角）無(wú)關(guān)，故式（）可表達(dá)為：口”，丘。，。切（）由此可知，理想漫射表面每點(diǎn)處的輻射度值與光亮度值之比為一常數(shù)因子。因而，表面各

34、點(diǎn)的光亮度計(jì)算可通過(guò)求解整個(gè)場(chǎng)景的輻射度方程而得到。微面元的輻射光能計(jì)算下面，運(yùn)用節(jié)的輻射度與光亮度的關(guān)系來(lái)求解面片的輻射光能。假設(shè)周?chē)h(huán)境入射到微面元（）上的光，能為（），（）為該表面在處的漫反射率，則微面元（）對(duì)環(huán)境入射光能的反射而產(chǎn)生的那部分輻射光能為（）（）。因而，點(diǎn)處的輻射度口（）滿足下式：（）（）（）（）（）日（）（）其中刎）為微面元（）的面積，（）為陔表面在點(diǎn)處的自身輻射度，若該表面為漫射光源，則（），否則，（）。現(xiàn)在來(lái)考慮如何計(jì)算（）。由（）的定義知，（）是周?chē)h(huán)境表面各點(diǎn)輻射度（）的函數(shù)，其中了。一般來(lái)說(shuō)，并處的微面元（）向四周輻射的能量中只有一部分到達(dá)點(diǎn)處。若用（，）來(lái)表示

35、從微面元（）輻射并到達(dá)微面元（）的光能占它向四周輻射的總光能的比例，則（）對(duì)的入射光能為（）（，）（），其中（）為微面元（的面積。由（）的定義知：（）耳）（）（）其中為環(huán)境中的所有表面。通常稱（，）為微面元（）對(duì)（）的形狀因子，或稱為點(diǎn)對(duì)的形狀因子。形狀因子（，）的表達(dá)式是建立輻射度方程的關(guān)鍵。由于理想漫射表面接受到來(lái)自空間任一方向的光能后朝四面八方均勻地反射出去，故形狀因子（，）只與微面元（）和（）的相對(duì)位置、幾何大小有關(guān)，即（，）僅是一個(gè)純幾何量。根據(jù)立體角的定義，當(dāng)從處觀察（）寸，（）所張的立體角為：一（）（）（，）其中（，）為與之間的距離，以為（）在處的法向量。與連接點(diǎn)，用于室內(nèi)虛擬漫

36、游的輻射度光照模型的研究的向量之間的夾角）。因此山發(fā)出的能量到達(dá)（）的能量為（）（）（）（）一（），（）（）其中（）為處單位面元朝立體角發(fā)出的光通量，（）為處沿方向的光亮度，。，為（）在處的法向量。，與點(diǎn)，之間連線的央角。而由輻射度的定義知，微面元（）向四周發(fā)出的總能量為（）（），故面元（）到而元（）的形狀因子為：（，）！籌（）（）上述推導(dǎo)隱含了一個(gè)假設(shè)，即假設(shè)微面元（）（）之間是完全可見(jiàn)的。若（）與（）之間存在遮擋物，則由幾何光學(xué)原理知，（）入射到（）的能量為零。由此，可將形狀因子（，）表達(dá)為如下的一般形式為：（，）：（），（）竺掣洲（）（）萬(wàn)其中（），（）為遮擋函數(shù)，若（）和（）之削有遮擋

37、，其值為，否則為。由以上推導(dǎo)得到：（）（）（）（）丌（，（），（）洲（）（）此即為一般理想漫射環(huán)境的輻射度方程。該方程系統(tǒng)地描述了封閉環(huán)境中各景物表面在平衡狀態(tài)時(shí)的光能分布。盡管方程（）給出了景物表面輻射度函數(shù)的一般表達(dá)形式，但在實(shí)際應(yīng)用中，該方程過(guò)于復(fù)雜，精確地求解景物表面上各點(diǎn)處的輻射度（）顯然是不切實(shí)際，所以為了使方程適用于真實(shí)感圖形生成，必須劉它進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。不妨設(shè)分割后場(chǎng)景中景物面片數(shù)為，第個(gè)面片。的輻射度為，其自身?yè)碛械妮椛涠葹?。漫反射系?shù)為，其面積為，則將方程（）應(yīng)用于面片；上，并在方程兩邊對(duì)求積得到：，口，（）輻射度算法中形狀因子的計(jì)算形狀因子的幾何說(shuō)明由景物表面輻射度的求

38、解方法可知，輻射度算法的難點(diǎn)在于景物面片間形狀因子的計(jì)算，其計(jì)算復(fù)雜度為（），因而提高形狀因子的計(jì)算效率和精度是輻射度算法的關(guān)鍵所在。 圖微形狀因子和形狀因子的幾何說(shuō)明如圖，假設(shè)，。分別為面片，和，上的兩個(gè)微分面元，則。到的微形狀因子為：（。西，焉帶洲，其中，為指向。的向量，為，處的表面法向量與。的夾角，。為處表面法向量。與一、之聞的央角，。為，的面積，（。）為遮擋函數(shù)，它定義為：（，）當(dāng)。，相互可見(jiàn)（、，）當(dāng)，相互不可見(jiàn)由形狀因子的定義知，微面元，到面片。的形狀因子為：“（，并相肌而第面片到第面片，的形狀因子；只“去，（。娼，雩曇鏟啪幽一由上式知形狀因子。有如下性質(zhì)：）。和。，服從下列交換關(guān)

39、系：）對(duì)于封閉環(huán)境，有）若面片。唯一平面或凸曲面片，則。里?。喝麎欒敌捅趟芩苒尤檬ば哇孕笙嗨菩苑椒ㄓ?jì)算形狀因子發(fā)現(xiàn)微面元，到面片。的無(wú)遮擋形狀因子?？梢杂猛队暗姆椒▉?lái)進(jìn)行計(jì)算。通常稱這種方法為相似性方法。如圖，若以為中心，在其正法向線方向建立單位半球面，并使所在平面與該單位半球面的基面重合，則投影方法分以下兩步進(jìn)行。首先以為中心，將面片投影在上述單位半球面上。得到其投影面片：然后將：垂直投影在的基面上。而面元到面片，的形狀因子恰好為：在基面上的投影面積占基圓面積的比例。 圖投影幾何關(guān)系若記為，上的一微面元，則在，處觀察，時(shí)，。所張的立體角為，如圖，根據(jù)立體角的定義知，即為。在單位半球面

40、上投影區(qū)域：的面積，故；在的基面上的垂直投影面積為：，。由于的基面為一個(gè)單位圓，故面元。在該基面上的投影面積占其總面積的比例為，。，通過(guò)上述二次投影后，面片，在的基面上的投影面積在整個(gè)基面中所占的比例為，半根據(jù)方程（）知，此為面元到面片，的形狀因子。 圖形狀因于與立體角的關(guān)系（）相似性原理隱含著一個(gè)基本的事實(shí)，若兩面片，和。在以。為中心的半球面上有相同的投影區(qū)域，即它們所張的立體角相同，則，到，和。的形狀因子具以一曠業(yè)一丌程碩士學(xué)位論文有相同的值，這一事實(shí)為簡(jiǎn)化形狀因子的計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。半球面分割技術(shù)求解形狀因子根據(jù)關(guān)于相似性原理的研究，得到如下提示：“以建立一個(gè)基于微立體角棚的微形狀因子

41、查找表提高形狀因子的計(jì)算效率。由相似性原理，該微形狀因子僅與立體角的方位和大小有關(guān)，而與占據(jù)緩微立體角的面片的形狀無(wú)關(guān)，微面元搬，到任一面片的形狀因了可由預(yù)先計(jì)算好的微形狀因子的和來(lái)逼近，這個(gè)想法導(dǎo)致了半立方體算法的誕生。該算法由大學(xué)的”等人提出，半立方體算法使得輻射度算法應(yīng)用于復(fù)雜場(chǎng)景的真實(shí)圖形生成成為可能。半立方體的基本思想是在每個(gè)微而元搬，處沿其正法向量方向放置一個(gè)虛擬的半立方體，該半立方體的五個(gè)表面被剖分成均勻正方形網(wǎng)格（通常為×或×），每一個(gè)網(wǎng)格均對(duì)應(yīng)搬朝向半球面空間的一微立體角，從而形成一個(gè)半空間立體角查找表。算法預(yù)先計(jì)算、存儲(chǔ)好半立方體中心微面元對(duì)各表面網(wǎng)格的

42、微形狀因子。這樣中心微面元到任一面片的形狀因子可用這些微形狀因子的和來(lái)逼近。本文采用的是半球面分割方法。采用經(jīng)、緯線來(lái)均勻剖分單位半球面，半球面中心微面元到各球面象素的微形狀因子亦預(yù)先計(jì)算存放在一個(gè)查找表中。與半立方體技術(shù)不同的是，半球面分割技術(shù)不再采用緩存器算法決定可見(jiàn)而，因而在各球面象素中不再保持有關(guān)可見(jiàn)面的信息，而是直接采用光線投射方法決定各球面象素中的可見(jiàn)面。取面片、的微面元、為半球面中心，從。向每個(gè)球面象素發(fā)射光線。記與該光線相交，且離。最近的面片為。則算法將；到象素面元的微形狀因子上。累加到面片。到面片。的形狀因子。中。當(dāng)所有球面象素處理完畢時(shí)，就得到了面片到所有景物面片的形狀因子

43、。假設(shè)將單位半球面按球面經(jīng)、緯度均勻剖分成等份，即其表面象素分辨率取為×，則各球面象素所張的經(jīng)、緯度均為：中，其面積為：中巾。而單位半球面上的球面象素（，巾）可用（，）來(lái)標(biāo)識(shí)，其中，分別為，中中的整數(shù)部分。顯然，。假設(shè)球面象素的中心的球面坐標(biāo)為（，中），則由微面元。到微面元的形狀因子計(jì)算公式為：可口（）里三塞堂皇些堡塑竺塑墅塞壟矍絲型墼塑壘圈計(jì)算形狀因子的單位半球面方法一般來(lái)說(shuō)，單位半球面算法的效率依賴于其采用的光線投射算法，各種光線跟蹤加速技術(shù)可用來(lái)加速形狀因子的計(jì)算。由于半球面剖分算法仍基于空間立體角采樣技術(shù)，因而與半立方體算法；樣。該算法亦存在走樣問(wèn)題，且在計(jì)算面片對(duì)面片的形狀

44、因子時(shí)同樣存在著與半立方體算法類(lèi)似的缺陷。但該算法由于采用光線投射算法來(lái)決定可見(jiàn)面，因而比半立方體算法靈活，且易于并行計(jì)算。小結(jié)本章主要闡述了漫反射環(huán)境下的輻射度光照模型的建立，一般輻射度方程的推導(dǎo)和建立，輻射度算法的難點(diǎn)又在于景物面片間形狀因子的計(jì)算，在分析了相似性原理的基礎(chǔ)上，可建立一個(gè)基于微立體角的微形狀因子查找表提高形狀因子的計(jì)算效率。比較實(shí)現(xiàn)了單位半球面分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)形狀因子的計(jì)算方法。輻射度算法的廣泛應(yīng)用也暴露了它的一些缺陷，它要求將環(huán)境分得足夠細(xì)時(shí)才能獲得較好的亮度效果，一般渲染器多采用半立方體技術(shù)，這個(gè)方法帶有許多的不精確，很難模擬具有多重反射和透射的環(huán)境，它也難以視線對(duì)曲面輻射的模擬。本文實(shí)現(xiàn)的半球面分割方法比半立方體算法靈活，易于并行運(yùn)算，輻射度算法是針對(duì)漫放射環(huán)境所提出的一種有效方法，但是半球面分割技術(shù)仍基于空間立體角采用技術(shù)，因而它也存在走樣問(wèn)題。 工程碩士學(xué)位論文第章層次結(jié)構(gòu)輻射度的分析與建立輻射度算法的計(jì)算復(fù)雜度為（），其計(jì)算量極大地依賴于環(huán)境剖分后的面片數(shù)，特別是需求解個(gè)形狀因子，其計(jì)算非常耗