虚实融合环境下光照一致性算法的研究

123456aa · 发表于 2022-4-9 17:37:40

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虚实融合是一种将真实世界的场景和计算机生成的虚拟物体相结合的技术，是对真实世界的一种拓展，目的是为了实现虚拟物体和真实世界场景的无缝结合，提升使用者视觉、听觉、触觉等方面的感受，促进人和计算机之间的交互。虚实融合的研究目标是虚拟对象与真实场景的融合，在真实场景的画面中加入虚拟对象时，虚拟物体要和真实场景中的其他物体实现几何和光照的一致性。其中，解决虚拟物体和真实场景之间的光照一致性题目是实现真实感的重要手段，是近几年来虚实融合技术中的研究重点及热点之一。本文在国家863计划重点项目“虚实融合的协同工作环境技术与系统”子课题“虚实融合协同工作集成环境”（2009AA012103）的资助下开展研究，针对面向虚实融合的光照一致性所涉及的几个关键题目，开展了如下研究工作：(1) 提出了一种基于小波变换的全频环境光照绘制算法。全频环境光照绘制算法分为两步：预计算部分对光照环境图、BRDF在法向量和视线方向采样，并将采样结果变换到哈尔小波基函数后进行非线性近似，通过预计算降低绘制的运行时计算量；实时绘制部分根据模型顶点法向量和视线方向从预计算的结果中查找小波系数并做向量积，从而实现对模型着色。(2) 针对HDR环境图，给出了一种基于shadow map的阴影生成方法。通过对环境图采样得到一组点光源，模拟产生阴影。为每个点光源创建阴影图，并分别存储深度纹理。针对每帧更新所有点光源阴影图工作量大的题目，本文采用每帧只更新一个光源阴影图的方法，实现动态场景阴影的实时绘制。在此基础上，实现了一种基于GPU的绘制加速方法。(3) 构建了针对飞机驾驶舱的虚实融合光照绘制原型系统。系统基于本文研究成果，应用环境光照绘制技术和基于图像的软阴影技术，实现了虚拟驾驶舱的光照及阴影一致绘制，为用户提供了更为真实的虚实感知。系统的功能是增强了虚拟环境中的操作人员在不同光照条件下操作的真实感和沉浸感，有利于评估不同光照条件，天气情况对操作人员的影响。

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