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【基于GPU真实感毛发绘制】是计算机图形学领域中的一种高级渲染技术,主要目标是为游戏、电影、虚拟现实等应用提供逼真的毛发视觉效果。本文将深入探讨这一技术的关键点。 该方法建立在【多层纹理表达】的基础上,这意味着毛发被模型化为多个层次的纹理,每一层都代表了毛发的不同特性,如颜色、透明度、厚度等。通过这种方式,毛发的复杂性和多样性得以精确地表现出来。 为了实现【实时绘制】,这种方法充分利用了现代GPU(图形处理器)的强大功能。GPU专门设计用于处理复杂的图形运算,其并行处理能力使其能够在保持高性能的同时,执行大量的光照计算。毛发的光照计算是实时渲染中的一个挑战,因为它涉及到复杂的物理现象,如反射、折射和阴影。此方法能够在短时间内计算出毛发表面的光照效果,从而达到高精度的渲染。 此外,文章特别强调了对【自阴影效果】和【软影现象】的模拟。自阴影是指毛发自身相互遮挡产生的阴影,而软影则是指物体或环境对毛发投射的柔和阴影。这两点对于提升毛发的真实感至关重要,因为它们增加了深度感和空间感。通过GPU的高效算法,这些效果得以在实时环境中流畅呈现。 实验结果显示,这种方法对于【中等规模的模型】可以实现【实时处理】,这意味着在游戏或交互式应用中,用户可以动态地观察和交互毛发,而不会感到延迟或卡顿。这在电影特效、游戏开发、虚拟试衣间等场景中具有极大的应用价值。 基于GPU的真实感毛发绘制是一种结合了多层纹理、光照计算和阴影模拟的先进技术,它利用GPU的硬件加速能力,实现了对毛发细节的实时、高质量渲染,极大地提升了视觉体验的逼真度。这种技术的发展推动了计算机图形学的进步,并为娱乐、教育、科研等多个领域带来了更丰富的视觉表现。
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ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@iscas.ac.cn
Journal of Software, Vol.17, No.3, March 2006, pp.577−586 http://www.jos.org.cn
DOI: 10.1360/jos170577 Tel/Fax: +86-10-62562563
© 2006 by Journal of Software. All rights reserved.
基于 GPU 真实感毛发绘制
∗
杨
刚
1,4+
,
孙汉秋
2
,
王文成
1
,
吴恩华
1,3
1
(中国科学院 软件研究所 计算机科学重点实验室,北京 100080)
2
(香港中文大学 计算机科学与工程学系,香港)
3
(澳门大学 科学技术学院 电脑与资讯科学系,澳门)
4
(中国科学院 研究生院,北京 100049)
GPU-Based Realistic Fur Rendering
YANG Gang
1,4+
, SUN Han-Qiu
2
, WANG Wen-Cheng
1
, WU En-Hua
1,3
1
(Laboratory of Computer Science, Institute of Software, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China)
2
(Department of Computer Science and Engineering, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, China)
3
(Department of Computer and Information Science, Faculty of Science and Technology, University of Macau, Macao, China)
4
(Graduate School, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
+ Corresponding author: Phn: +86-10-62562796, Fax: +86-10-62563894, E-mail: yg@ios.ac.cn, http://www.ios.ac.cn
Yang G, Sun HQ, Wang WC, Wu EH. GPU-Based realistic fur rendering. Journal of Software, 2006,17(3):
577−586. http://www.jos.org.cn/1000-9825/17/577.htm
Abstract: Based on the multi-layer textures approach, a new method of rendering real-time fur is proposed. The
method takes full advantage of the new features of current Graphic Processing Units to compute the lighting of fur
precisely and fast. More importantly, the self-shadow effect of fur and the soft shadow phenomenon over fur are
simulated successfully, which enhances the rendering effects greatly. Experiments show that the method can deal
with moderate models in real-time, which is very valuable for the applications of fur in many fields, such as cinema,
video game and virtual reality etc.
Key words: fur; soft shadow; realistic image synthesis; hardware-based rendering
摘 要: 基于毛发的多层纹理表达方法,提出一种毛发实时绘制方法.该方法充分利用图形处理器的绘制功能,不
仅能对毛发进行高精度快速的光照计算,而且能够高效地模拟毛发间的自阴影效果以及物体其他部分在毛发上遮
挡形成的软影现象,以增强毛发的真实感效果.实验结果表明,该方法能够实时处理中等规模的模型,这对于毛发物
体在电影、游戏和虚拟现实等领域的应用具有重要的价值.
关键词: 毛发;软影;真实感绘制;基于硬件的绘制
中图法分类号: TP391 文献标识码: A
∗ Supported by the National Natural Science Foundation of China under Grant Nos.60473105, 60373051 (国家自然科学基金); the
National Grand Fundamental Research 973 Program of China under Grant No.2002CB312102 (国家重点基础研究发展规划(973)); the
RGC (Research Grant Council) Research Grant of Hong Kong under Grant No.4181/03E (香港研究资助局研究基金); the Research
Grant of University of Macau (澳门大学研究基金)
Received 2004-09-16; Accepted 2005-05-23
578
Journal of Software 软件学报 Vol.17, No.3, March 2006
毛发是许多物体的重要外表特征.为了逼真地表达这些毛绒绒的物体,毛发的真实感绘制是一个不可避免
的问题.一般而言,物体上的毛发个体数量巨大,而单根毛发又非常细小.因此,毛发的绘制计算,尤其是毛发阴影
效果的计算非常困难.
近年来,毛发的建模、绘制以及动画已经成为一个研究热点,如瑞士的 MIRA 实验室在毛发的仿真方面进
行了一系列深入的研究
[1,2]
.2004年的Siggraph 大会还专门设立了一个关于毛发仿真的专题
[3]
.不过,这些工作主
要针对较长的头发进行研究,并不适用于表现那种布满动物体表的短毛效果.目前,针对短毛的绘制与表示,主
要有以下一些工作.Reeves
[4]
采用粒子系统来表示毛发.Perlin 等人
[5]
提出使用过程纹理来绘制毛绒状物体.最经
典的是 Kajiya
[6]
提出的利用体纹理来表示毛发的思想.他把一片毛发表示成一块记录密度和反射特性分布的体
纹理,并采用光线跟踪的方法进行绘制,生成了非常逼真的短毛效果.近年来,许多三维动画电影采用几何建模
的方法来表示毛发
[7,8]
.它们将每根毛发表示成一串三角片或圆锥体,并进行反混淆以及复杂的光照计算,从而
生成令人满意的绘制效果.以上这些方法的绘制速度都很慢,无法满足实时绘制的要求.Gelder
[9]
等人曾提出一
种简化的几何建模方法,将毛发表示为一根根折线进行绘制.这种方法虽然达到了实时和交互的要求,但其绘制
效果并不令人满意,而且毛发数量也不能太多.Lengyel
[10,11]
在 2000 年提出采用多层纹理来表达毛发的方法.他
把一块毛发体纹理切成多层二维纹理,并将它们分别映射到多层网格面上,再对这些网格面进行融合绘制以产
生毛发效果.Lengyel 方法可以利用图形硬件的显示流程来实现,使绘制达到了实时和交互的要求,并且具有较
好的绘制质量.但是,Lengyel 方法在毛发的真实感计算方面仍有很大的不足.(1) Lengyel 方法对毛发进行的光
照计算并不精确.它只对模型面片的每个顶点进行光照计算,而面片内各个毛发的光照值靠插值顶点的值来近
似.这种近似误差较大,容易造成毛发的模糊现象.(2) Lengyel 方法没有考虑毛发之间相互遮挡形成的阴影现象
(称为毛发自阴影),以及物体其他部分在毛发表面上遮挡形成的软影效果,而这些光照效果对于逼真地表现毛
发具有重要作用.
为了对毛发进行实时的高度真实感的绘制,本文基于短毛的多层纹理表达方法,提出一种新的毛发绘制计
算方法,能够快速、有效地计算出毛发间的自阴影效果以及由于物体其他部分遮挡而在毛发表面形成的软影现
象.该方法的主要贡献是:
• 利用图形处理器(GPU)的像素可编程功能,把毛发的光照计算精确到了像素级别.
• 提出一种“层状阴影图”的技术,实现了毛发自阴影效果的模拟.
• 在 Krisch 算法的基础上进行加速处理,能便捷地实现由于遮挡关系而在毛发上产生的软影.
本文第 1 节简要介绍 Lengyel 提出的利用多层纹理来表示毛发的方法.第 2 节讲述如何利用 GPU 的像素
可编程功能对毛发进行精确的光照计算.第 3 节讨论用“层状阴影图”实现毛发自阴影效果的模拟.第 4 节讨论毛
发表面上软影效果的生成.最后给出新方法的总体流程、实验结果和结论.
1 Lengyel 方法简介
Lengyel 方法可以概括为如下 3 个步骤,其中前两步属于预处理,第 3 步是实时绘制.
第 1 步. 采用粒子系统的方法生成一块表现毛发效果的三维体纹理.对这块体纹理进行水平采样,得到多
层二维纹理.这些二维纹理称为 shell 纹理,其纹理元素含有“RGBA”4 个分量,“RGB”表示相应位置的毛发颜色
值,“A”(即 alpha 分量)表示不透明度.
第 2 步. 利用 lapped texture
[12]
方法生成模型的纹理坐标,以解决 shell 纹理到模型表面的映射问题.
第 3 步. 由里向外逐层绘制多层网格面.绘制时,每层网格面都映射相应层次的 shell 纹理,并按照 shell 纹理
的 alpha 值进行融合绘制.最里层的网格面就是模型本身,外层网格面由模型表面沿法向平移一定距离形成.
Lengyel 采用了针对毛发的特殊光照模型
[6]
,并以软件的方式实现光照计算.其采用的光照模型为
HairShading=ka+kd×C
hair
×(1−(T⋅L)
2
)
pd/2
+ks×(1−(T⋅H)
2
)
ps/2
(1)
其中,T 表示毛发的方向,L 是光线方向,H 是光线和视线夹角的角分线方向,ka,kd 和 ks 分别表示环境光、散射光
和高光的颜色,pd 和 ps 是散射光和高光的指数,C
hair
表示当前像素的毛发颜色.
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