基于图像空间的镜面相关效果实时绘制技术研究

光线跟踪能够很好地处理反射、折射、焦散等镜面相关效果，但其绘制速度难以达到实时。本项目基于图像空间，在GPU光栅化过程中完成镜面相关效果计算和绘制，使其能够很好地与OpenGL和Direct3D应用结合。我们将从以下几方面入手，研究镜面相关效果实时绘制：1、复杂动态场景中准确的多重反射折射效果；2、反射折射产生的高质量焦散（Caustics）效果；3、参与性介质（Participating Media）中产生的体焦散（Volume Caustics）效果；4、面光源环境下的软焦散（Soft Caustics）效果。为达到预期目标，我们将深入研究基于GPU的场景存储和遍历、光线物体相交计算、散射方程处理等一系列相关问题，并研究其在全局光照绘制中的其他应用。本项研究将使得高质量的镜面相关效果能够很好地被融合到普通的三维应用中，促进产品设计、游戏、动画和虚拟现实等相关领域的发展。

本项目主要研究基于GPU光栅化的镜面相关效果绘制以及涉及的复杂三维场景GPU表示方法。此外，本项目增加了相关技术在其他领域应用的研究内容。1）针对原有研究计划，本项目具体研究内容包括：基于GPU的均匀网格、稀疏八叉树网格、以及A-buffer的复杂场景三维模型表示方法，基于GPU的复杂场景三维模型的均匀网格+A-buffer综合表示方法，完全基于GPU体素化的光线跟踪方法以及将该光线跟踪方法应用于Ambient Occlusion（AO）和Path Tracing等全局光照模型计算。新方法突破了原计划仅仅针对镜面相关效果的限制，可用于包括镜面相关效果在内的几乎所有全局光照绘制。2）领域应用相关的研究内容包括：基于GPU稀疏八叉树体素化方法加速地形点云数据三维重建方法，雷达图像中电离层反射折射效果模拟方法，基于GPU八叉树体素化计算人群疏散路径遮挡的方法、基于GPU的地学三维数据可视化方法和GPU加速的图像视频编辑方法等。总之，本项目的研究成果主要包括实现了完全基于GPU光栅化的光线跟踪引擎，并基于此引擎实现了在光栅化过程中绘制镜面反射折射、AO以及Path Tracing等复杂全局光照计算模型。此外，相关GPU反射折射、体素化方法在学科交叉中得到很好的应用，在三维网格重建、人群疏散路径计算、深度信息提取等方面取得成果。本项目共发表学术论文6篇，论文被SCI收录2篇，EI收录2篇。