基本信息
- 項目名稱：
- 實時環(huán)境映射紋理采樣的新方法
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 在計算機圖形學中，環(huán)境映射是模仿現(xiàn)實生活中的鏡面反射現(xiàn)象的技術(shù)。這種技術(shù)能夠極大的提高圖形圖像的真實感。 本項目對實時環(huán)境映射的算法進行了深入分析，并提出了一種基于球面環(huán)境映射的紋理采樣方法，通過這種方式得到全景圖，實現(xiàn)實時環(huán)境映射，比常用的實時環(huán)境映射效率提高六倍，提高了實時紋理采樣效率，并且經(jīng)過實驗驗證，這種技術(shù)最后能夠得到可以接受的環(huán)境映射效果。
- 詳細介紹：
- 在計算機圖形學中，環(huán)境映射是模仿現(xiàn)實生活中的鏡面反射現(xiàn)象的技術(shù)，這種技術(shù)能夠極大的提高圖形圖像的真實感，無論是在電影、游戲還是其它仿真行業(yè)中都使用了這種技術(shù)，而且隨著計算機硬件的高速發(fā)展，還有人們對計算機圖形真實感的不斷追求，這種技術(shù)在計算機中將會越來越常用。 在以前，由于硬件的限制，計算機中的環(huán)境映射一般都使用靜態(tài)環(huán)境映射，雖然能夠極大的提高圖形圖像的真實感，但是在交互式的圖形系統(tǒng)中，這種映射方案不能真實的反映出環(huán)境變化情況，從而得到的圖像并不真實，如果想要得到真實的環(huán)境映射效果只能夠在大型的圖形系統(tǒng)或者高性能計算機中才可能得以實現(xiàn)。 而在當前，隨著計算機硬件的高速發(fā)展，特別是顯卡的更新?lián)Q代，實時環(huán)境映射的普遍應用成為可能，通過對當前常用的實時環(huán)境映射的技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在常用的實時環(huán)境映射(Cubemap)[1]技術(shù)，是由以前靜態(tài)環(huán)境映射技術(shù)不加改變的移植而來的，雖然能夠得到極好的映射效果，但是在效率上就造成了極大的浪費。 基于這種情況，本文對實時情況下的環(huán)境映射進行了深入研究，并提出了一種可行的實時環(huán)境映射方案。該方案改進來自原本的球面環(huán)境映射技術(shù)，并結(jié)合當前最新的硬件特性，加上本文所提出的采樣算法，實現(xiàn)了實時環(huán)境映射效果。 這種實時環(huán)境映射技術(shù)將原本需要六次渲染采樣得到實時紋理圖像的技術(shù)改成一次渲染采樣就得到實時紋理圖像，極大的提高了實時紋理采樣效率，并且經(jīng)過實驗驗證，這種技術(shù)最后能夠得到可以接受的環(huán)境映射效果。 它更重要應用領域是用在一些非全反射特性的物體上，比如鉻映射(chrome mapping)[2]，對于那些需要實時模糊反映環(huán)境狀態(tài)的對象或者需要模糊反映復雜的光影效果的對象來說這種技術(shù)相對于立方體環(huán)境映射(Cubemap)，將是更好的選擇。 在本文的最后對全反射的特性物體在實時環(huán)境映射提出了一種理論可行的映射技術(shù)，并通過了實驗的初步驗證，這種技術(shù)原理來自于立方體貼圖原理，但將原本的六次采樣改成三次采樣，得到的效果卻和立方體環(huán)境映射的效果幾乎一樣，極大的提高了實時環(huán)境映射的實用性。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 在微軟的DirectX2010 官方文檔中有一個名為HDRCubemap的演示程序，該程序主要演示了實時環(huán)境映射這項技術(shù)，當我們第一次看到這個示例的時候被這種技術(shù)所帶來的視覺真實感深深震撼了，于是想到如果能夠在游戲、交互式三維系統(tǒng)、或者其它計算機仿真領域中大量使用這種技術(shù)，將會極大提高圖形圖像的真實感，給用戶更好的視覺享受。 經(jīng)過深入了解發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在常用的實時環(huán)境映射技術(shù)(Cubemap技術(shù))是以前靜態(tài)環(huán)境映射技術(shù)不加改變移植而來的。這樣雖然能夠得到極好的映射效果，但是在效率上就造成了極大的浪費，因為它需要的計算量非常龐大，也只有在高性能計算機或者大型的圖形系統(tǒng)中這種技術(shù)才適用，在一般的計算機上只能實現(xiàn)簡單的效果。 基于上面的分析我們對實時條件下的環(huán)境映射效率進行了深入研究，期望找到一種能夠在普通計算機上高效使用實時環(huán)境映射技術(shù)的解決方案，能夠讓普通用戶也能夠享受到這種技術(shù)為計算機圖形圖像帶來的視覺真實感。 經(jīng)過研究之后終于找到了一種可行的實時環(huán)境映射方案。該方案改進來自原本的球面環(huán)境映射技術(shù)，并結(jié)合當前最新的OpenGL擴展技術(shù)(FBO技術(shù))，加上本作品所提出的采樣算法，實現(xiàn)了實時環(huán)境映射相同的效果。 這種實時環(huán)境映射技術(shù)將原本需要六次渲染采樣得到實時紋理圖像改成一次渲染采樣就得到實時紋理圖像，極大的提高了實時紋理采樣效率。并且經(jīng)過實驗驗證，這種技術(shù)最后能夠得到可以接受的環(huán)境映射效果，同時又能夠在普通的計算機上高效地運行。
科學性、先進性
- 本作品研究的是計算機圖形學中的高級紋理繪制技術(shù)——實時環(huán)境映射，在國內(nèi)外的各大知明學術(shù)網(wǎng)站中這方面的資料和研究都相對較少。本作品的目的是改進現(xiàn)有技術(shù)效率上的不足，研究最后提出的方案都經(jīng)過了實驗的嚴格驗證。該技術(shù)主要由球面環(huán)境映射算法和FBO技術(shù)再加上本文推導的采樣算法有機結(jié)合而來。 與當前的實時環(huán)境映射技術(shù)相比，該技術(shù)主要將原本需要六次采樣達到實時環(huán)境映射改成一次采樣達到實時環(huán)境映射，同時運用了最新的FBO技術(shù)，極大的提高了實時環(huán)境映射的效率。在一般普通的計算機或者大型三維場景中比現(xiàn)有的技術(shù)表現(xiàn)得更好。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年04月26日，該作品以論文的形式在教育部科技查新工作站(Z05)完成科技檢索。 檢索人：陳英 報告編號：20112096 2011年5月，在第三屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽校賽中榮獲一等獎
作品所處階段
- 后期優(yōu)化階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利申請權(quán)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 演示程序
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本技術(shù)以SDK提供，可以在渲染項目中加載這個包，使用接口函數(shù)。 與當前的實時環(huán)境映射技術(shù)相比，本作品提出的技術(shù)主要將原本需要六次采樣達到實時環(huán)境映射的過程改成一次采樣達到實時環(huán)境映射，同時運用了最新的FBO技術(shù)，極大的提高了實時環(huán)境映射的效率。在一般普通的計算機或者大型三維場景中比現(xiàn)有的技術(shù)表現(xiàn)得更好。 本作品的技術(shù)還可以用來模仿一些復雜的實時光影特效（如物體高光、水面波紋和動態(tài)陰影等）、模糊的實時環(huán)境紋理特效(如粗糙表面的實時環(huán)境映射、半透明玻璃的表面紋理等)和復雜動態(tài)紋理(如場景草木紋理)等等。 同時該技術(shù)也是模糊環(huán)境映射如鉻映射(chrome mapping)在實時環(huán)境下的最好選擇。
同類課題研究水平概述
- 環(huán)境映射技術(shù)提出以來至今日，經(jīng)過了多次技術(shù)變革。自從立方體環(huán)境映射提出以后，環(huán)境映射的算法方面沒有經(jīng)歷過太大的變化。而在以后的發(fā)展過程中，硬件的發(fā)展是帶動環(huán)境映射發(fā)展的重要因素，一些原本在計算機中難以快速計算的映射方案慢慢的隨著硬件發(fā)展變成了現(xiàn)實，比如光線跟蹤技術(shù)，在現(xiàn)在的一般計算機上就能簡單的使用光線跟蹤技術(shù)實現(xiàn)環(huán)境映射。 而計算機硬件發(fā)展到今天這種狀態(tài)，實時環(huán)境映射在一般的計算機上面已經(jīng)成為了可能，而以前提出的算法，不管是球面環(huán)境映射還是立方體環(huán)境映射，他們提出的時候都有一個共同點，都是考慮在靜態(tài)環(huán)境下表示環(huán)境映射，一般實現(xiàn)方法基本上都是在程序開始的時候從外部導入一張環(huán)境紋理圖像，貼圖實現(xiàn)模擬環(huán)境映射的效果，這樣的好處是可以高效地表示環(huán)境映射，也能得到極好的效果，但是一個不能讓人接受的事實是這種環(huán)境映射的本身是靜態(tài)的，也就是說，當從外部導入圖像的時候開始，物體所能表現(xiàn)的環(huán)境信息就完全固定了，當有一個動態(tài)的物體在場景中運動的時候就不能反映出這個物體狀態(tài)，因此得不到正確的信息。 要解決這個問題就必須實時的對環(huán)境紋理進行更新，目前的技術(shù)也能夠比較好的解決這個問題，因為硬件能力的極大提高，實時立方體環(huán)境映射在一般的計算機簡單的場景中也能夠比較好的運行起來。實時立方體環(huán)境映射顧名思義，就是在每一次渲染的時候都在物體的中點位置進行六次環(huán)境采樣，以得到環(huán)境“天空盒”。最后再貼圖到物體表面，以達到實時效果。這種技術(shù)的一個最大缺點是效率低。每一次渲染都要對周圍環(huán)境進行六次采樣。在交互式計算機圖形系統(tǒng)中，每一秒要求渲染場景六十次才能保證圖形系統(tǒng)的流暢，在比較簡單的場景還可以運行起來，可是在稍微大型場景中，這種技術(shù)就變得極其不實用了。目前人們通常采用降低環(huán)境映射刷新頻率或者減少采樣過程中的場景對象的方法來提高效率，但這樣又降低了真實感。
