基于分布优化的高度真实感特效绘制方法研究

Digital animation and movie industry has rewarded a rapid development, and virtual reality technology has gradually come into our lives. In order to give people more realistic viewing experience, realistic rendering technology plays more important role in the production of animation movies and games. However, rendering algorithms, especially global illumination algorithms and volume rendering algorithms, are computationally complex and time-consuming，and the generation speed and quality could not meet the needs of users in the industry. In this project, we focus on the fast and high quality global illumination effect generation method. The main research contents include: (1) optimized photon distribution in global illumination rendering based on sampling method; (2) the anisotropic material rendering and the special scene rendering based on selective photon path generation; (3) accurately rendering method of volume materials, and the photo-realistic rendering of generated relief for analysis and evaluation. The research scopes of this project include theories and methods, technologies and a prototype system. Research and completion of this project can provide us new theories and methods for solving the rendering problems on global illumination effect, and provide us a simple, efficient and robust rendering application based on photon mapping. So, research of this project has good theoretical significance and applied value.

真实感特效绘制在计算机图形学研究领域和数字媒体媒体应用领域中占有非常重要的地位。计算机图形学领域中三维模型的呈现离不开真实感绘制算法的研究，同时优秀电影和动漫作品的不断涌出也离不开绘制技术的不断发展。本课题将着重研究真实感特效绘制中的全局光照绘制、多空间特殊场景中的复杂光路传输绘制，复杂属性材质反射光路传输绘制和体特效绘制。本课题将基于光子映射方法研究实现，重点研究绘制算法路径发射和分布的优化，根据可见性和场景中的光照属性等重新划分路径分布，并且优化采样方法，最终获得优良的光子和路径分布模拟光照情况，从而实现绘制效果的提高和绘制效率的加速。实现使用综合统一的绘制流程来绘制不同的特效，优化绘制过程中对不同特效绘制需要有不同的复杂参数调节的配置情况，减少绘制方法复杂程度，提升绘制效率。真实感特效绘制优化的研究对数字媒体领域的发展有重要的意义。

真实感绘制在计算机图形学研究领域和数字媒体应用领域中都占有非常重要的地位。图形学领域中三维模型的呈现离不开绘制的研究，同时优秀电影和动漫作品的不断涌出也离不开绘制技术的不断发展。. 项目基于三年的研究工作，围绕在高度真实感绘制光子映射方法中光子分布不均匀，光子体量大等技术难题，着重研究了基于光子分布的优化真实感特效绘制方法，提高了光子映射绘制方法的真实感和绘制效率。除此之外，项目还进行了特效材质表面的绘制算法研究，在光子映射算法优化的基础上，搭建绘制原型系统架构，适用于应用领域内不同要求的特效绘制要求。归纳起来，本项目的主要创新点和贡献如下：（a）利用光子绘制过程中的光子分布统计数据信息优化光子绘制过程中出现的噪声偏差等问题，达到提高特效绘制真实感的目的，分别采用了光子消除的方法，基于光子分布特征信息的深度学习方法和基于图像空间子块内光子明暗空间分布误差等方法来实现优化；（b）提出基于光子空间分布的优化算法，通过划分光子实现加载平衡达到加速绘制的目的，优化算法分别采用一种基于多边形空间划分的分布式光子传递绘制方法，一种数据任务并行的调度方法和基于BVH光子树组织的体渲染加速方法进行计算。. 在本项目的支持下，项目组已发表论文6篇，其中SCI收录论文5篇；申请发明专利5件；培养研究生7名，包括在读3名。