光線跟蹤繪制中的光路重用技術(shù)研究.pdf

1、真實(shí)感圖形繪制是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)最重要的問題之一，而蒙特卡洛光線跟蹤是真實(shí)感圖形繪制中最主流的方法。該方法可以處理任意的光源類型、場(chǎng)景表達(dá)、紋理材質(zhì)、以及照相機(jī)設(shè)置。其缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜度較高，繪制性能較低。光路重用是提高蒙特卡洛光線跟蹤算法性能的重要途徑。通過重用一部分光路，可以將一條光路多次用于光能傳輸?shù)墓烙?jì)，從而降低采樣的平均成本。另一方面，通過選擇較為重要的光路進(jìn)行重用，也可以實(shí)現(xiàn)一定程度的重要性采樣。
　　根據(jù)重用光路采樣類型的

2、不同，光路重用技術(shù)主要分為三類。由視線或光線方向生成的光路出發(fā)，重用反向光路進(jìn)行連接，從而生成一條完整光路的，稱為雙向光路重用。將原光路采樣前半部分與另一條同向光路后半部分的光路進(jìn)行連接生成完整光路的，稱為單向光路重用。在二維圖像空間內(nèi)，對(duì)光路采樣的估計(jì)結(jié)果，也就是著色值，進(jìn)行直接重用的，稱為圖像空間著色重用，也等價(jià)于對(duì)于整條光路的直接重用。
　　本文系統(tǒng)地研究了蒙特卡洛光線跟蹤框架中的光路重用問題。三個(gè)主要工作涵蓋了三種不同類型

3、的光路重用，分別是解決了雙向光路重用中的估計(jì)偏差問題，分析并減輕了單向光路重用中協(xié)方差對(duì)于估計(jì)方差的影響，以及利用二維圖像空間中光路采樣結(jié)果的一致性提出了高性能的毛發(fā)繪制算法。具體來說，本文包含如下內(nèi)容:
　　(1)針對(duì)雙向光路重用，提出了一個(gè)新的光子采集方法來替代之前光子映射算法中的密度估計(jì)，從而得到無偏的繪制結(jié)果。會(huì)單獨(dú)處理每一個(gè)光子，將光子所代表的光線與進(jìn)行采集的視線相連，來形成一條完整的光路。這個(gè)連接可以被理解為一次俄羅斯

4、輪盤事件，其成功概率是一個(gè)積分。由于這個(gè)連接的概率出現(xiàn)在最終貢獻(xiàn)估計(jì)的分母上，人們一直沒有高效的方法來避免在估計(jì)概率積分的同時(shí)引入偏差。因此提出了一個(gè)無偏的算法，利用一系列伯努利試樣來對(duì)這個(gè)概率積分的倒數(shù)進(jìn)行無偏估計(jì)。最終的方法是一個(gè)完備的無偏采樣技術(shù)，并且可以被結(jié)合到廣泛的蒙特卡洛光能傳遞算法之中。
　　(2)針對(duì)單向光路重用，研究了該類方法中光路重用的協(xié)方差對(duì)于最終繪制方差的影響。通過我們的分析可以發(fā)現(xiàn)，在此類方法中估計(jì)方差由

5、方差項(xiàng)以及協(xié)方差項(xiàng)兩部分組成。發(fā)現(xiàn)提高重建采樣率只能降低方差項(xiàng)部分，而對(duì)于協(xié)方差無能為力。也發(fā)現(xiàn)協(xié)方差項(xiàng)實(shí)際上表示了間接光照采樣在重建過程中被重用的程度。同一個(gè)間接光照采樣被越多的重建采樣所使用，其帶來的協(xié)方差項(xiàng)也就越顯著?；趯?duì)于方差的分析，提出了一個(gè)自適應(yīng)生成間接光照采樣，從而降低協(xié)方差項(xiàng)的方法。將這個(gè)自適應(yīng)的方法應(yīng)用到間接光場(chǎng)重建算法以及軸對(duì)齊的圖像空間濾波算法之中，并顯著地減輕了繪制結(jié)果中的失真。
　　(3)最后，針對(duì)圖像