Разработка и модернизация методов генерации физически аккуратных изображений на ЭВМ

• Автор: Дмитриев, Кирилл Александрович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 129 с. : ил

Оглавление
Введение

1 Задача генерации физически аккуратных изображений

1.1 Исходные данные

1.1.1 Геометрия сцены

1.1.2 Источники света

1.1.3 ДФРС поверхностей сцены

1.1.4 Функции параметров наблюдения

1.2 Уравнение рендеринга.

1.3 Метода решения МонтеКарло.

1.4 Методы решения квазиМонтеКарло.

1.5 Проблемы применения метода квазиМонтеКарло для задач
генерации изображений
1.6 Постановка задачи
2 Реализация метода квазиМонтеКарло в современных индустриальных приложениях
2.1 Разработка, эффективных генераторов квазислучайных числовых последовательностей
2.1.1 Генерация последовательности Холтона.
2.1.2 Генерация ЛПтпооледовательности.
2.1.3 Оценка эффективности разработанных алгоритмов .
2.2 Трассировка фотонов с использованием квазислучайных последовательностей точек
2.2.1 Общая структура, алгоритма.
2.2.2 Уменьшение дисперсии метод существенной выборки . .
2.2.3 Оценка, эффективности предложенных методов.
2.3 Анализ результатов
3 Оценка погрешности алгоритмов квазиМонтеКарло
3.1 Оценка погрешности в алгоритме .
3.2 Предлагаемый метод оценки погрешности.
3.3 Экспериментальное подтверждение
3.3.1 Сравнение с аналитическим решением.
3.3.2 Сравнение с эталонным решением.
3.4 Анализ результатов .
4 Генерация интерактивных последовательностей изображений
4.1 Периодичность последовательности Холтона
4.2 Обновление непрямого освещения
4.2.1 Фотонные группы .
4.2.2 Поиск и перетрассировка динамических фотонов
4.3 Детали реализации
4.3.1 Структуры трассировки фотонов.
4.3.2 Вычисление прямого освещения .
4.3.3 Распараллеливание вычислений .
4.4 Оценка эффективности предложенного метода.
4.5 Анализ результатов, развитие задачи.
Заключение
Список литературы


Тем не менее, остается ряд теоретических и практических трудностей применения этого метода в программных средствах визуализации и виртуальной реальности. Для расчета физически аккуратных изображений необходимо моделировать процесс распространения света от источников света к глазу наблюдателя. При этом влияние фотонов света, прошедших разными путями, удобно рассматривать раздельно. При дальнейшем изложении будем, следуя [), классифицировать фотонные траектории в соответствии с событиями, которые произошли с фотонами на пути от источника к глазу наблюдателя. D - не идеальное! Любой путь, представляющий интерес для задачи генерации изображений, начинается символом Ь и заканчивается Е. Поэтому вес возможные пути света принадлежат классу Ь[0|В]*Е. Широкое распространение методы генерации физически аккуратных изображений получили только в последнее десятилетие, когда, производительность вычислительных машин стала достаточной для решения подобных задач. В настоящее время па рынке доступны мощные графические ускорители, позволяющие визуализировать чрезвычайно сложные модели в реальном времени. Тем не менее, точность расчета освещения, предоставляемая большинством прикладных пакетов очень невысока. При расчете изображений они учитывают только световые пути, не требующие больших вычислительных затрат. Например, упомянутые графические ускорители рассчитывают только пути ЕГ)Е, т. Между тем, непрямое освещение часто оказывает огромное влияние на изображение. Например, на Рис. Многогранник и кольцо выполнены из металла, сфера состоит из стекла. В сцене присутствует один конический источник света. При расчете Рис. Ы)[8]*Е. Большая часть изображения черная, так как соответствующие части поверхности освещены непрямым светом. Рис. Ь[0|3]*Е. Яркие пятна на стенах параллелепипеда создаются светом, отраженным от граней многогранника. Яркая дуга - свет, отраженный от металлического кольца. Стеклянная сфера фокусирует падающий на нее свет в яркий круг на полу иод ней. Эти зрелищные эффекты называются каустиками и образуются фотонными путями Ь[0|8]*Е. Мягкое непрямое освещение на стенках и потолке образуется фотонными путями ЬрІ^БОЕ. Рис. Изображение сцены, рассчитанное с учетом а) фотонных путей LD[S]*E и Ь) всех возможных фотонных путей L[L)|S)*E . Методы расчета, позволяющие учесть более широкий класс фотонных путей, чем ЬБ[8]*Е, носят название методов вычисления глобального освещения. Методы моделирования глобального освещения можно условно разделить на две группы: методы конечных элементов и методы Монте-Карло. Методы конечных элементов для переноса световой энергии были изначально адаптированы из литературы но моделированию переноса тепла. Основополагающая идея заключается в разбиении геометрии сцены на достаточно малые конечные элементы и расчет распределения освещенности в результате решения системы алгебраических уравнений (обычно линейных), описывающей перепое энергии между этими конечными элементами. Впервые в компьютерной графике подобные методы предложили использовать Горал []. Кохеи [] и Нишита [] и именно тогда эти методы получили свое название: «методы излучательности». С тех пор было реализовано много усовершенствований к этим методам. Например: инкрементальное повышение качества решения [], использование иерархических базисных функций [], адаптация объема вычислений в каждом регионе сцены в соответствии с его значимостью [], разбиение по границам теней [], применение вейвлетов для уменьшения ошибки дискретизации [], кластеризация [] и геометрическая декомпозиция []. Были реализованы разновидности метода, позволяющие корректно моделировать преломление и поглощение света в полупрозрачных средах [], пере отражение света от глянцевых и зеркальных поверхностей [] и от поверхностей с произвольными Двулучевыми Функциями Рассеивающей Способности (ДФРС) []. Недостатком методов излучательности является то, что они допускают эффективную реализацию лишь для небольшого подкласса задач. А именно, их успешно применяют для диффузных сцен, содержащих источники света с простыми функциями яркости.