基于GPU加速的光线跟踪技术研究与实现

论文字数:19025,页数:43

摘要

 随着图形处理器性能的提高、可编程特性的发展，及可编程硬件高级语言(如CG语言)的发展,人们开始将图形处理流水线的某些处理阶段和图形算法逐渐从CPU向GPU 转移。
 光线跟踪算法是一种经典的真实感绘制算法,它利用光路可逆原理,通过追踪光线,能很好地渲染真实世界。本论文介绍了可编程图形硬件基础，分析了基于GPU 的光线跟踪技术的实现原理。设计的6 个实验场景所包含的三角形面片数，从2016 个到60960 个成复杂度递增；在3 种不同分辨率下，分别实现GPU 和CPU 的光线跟踪绘制。对实验结果比较、分析后，得到了GPU 加速的光线跟踪技术的特点。

关键词 CG；openGL；光线跟踪；图形处理器

ABSTRACT

With the improvement of the performance, the characteristics of programmable on graphics processor, and the high-level programmable hardware language (such as C for Graphics), people began to deal with the certain stage of graphics processing and graphics algorithm gradually translating to GPU from GPU.
Ray tracing algorithm which is one of the classic photorealistic rendering algorithm,  uses optical reversible principle, by tracing light, can render the real world well. This paper introduces the basis of the programmable graphics hardware, and analysis the achievement of principle with the Ray tracing technology based on the GPU.The number of triangles drawed in the six scenes, increase complexitily from 2,016 to 60,960.Achieve the ray tracing map algorithm based on the CPU and GPU ,respectively, in three different resolutions.The characteristics of ray tracing technology based on GPU-accelerated will be got, after the comparison and analysis of  the results.

Keyword CG;openGL;Ray tracing algorithm;GPU

 
目录

摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1背景 1
1.1.1 计算机图形学的发展和应用 1
1.1.2 图形处理器(GPU)的现状和地位 2
1.1.3 图形及硬件编程语言 3
1.2 课题主要研究的内容 4
第二章 光照 6
2.1 光照模型 6
2.1.1 放射光 6
2.1.2 环境光 7
2.1.3 漫反色和Lambert模型 7
2.1.4 镜面反色和Phong模型 9
2.1.5 简单局部光照模型 10
2.2 插值算法 10
2.3 光线跟踪 11
第三章 CPU下的光线跟踪算法实现 13
3.1 openGL基础知识 13
3.1.1 openGL工作流程 13
3.1.2 openGL数据类型和函数名 14
3.1.3 openGL描述图元 15
3.2 算法中的变换实现 16
3.2.1 几何变换 16
3.2.2 投影变换 17
3.2.3 视口变换 18
3.2.4 视景转换 18
3.3 算法中的回调函数实现 19
3.4 算法中的绘图和分割面片实现 20
3.4.1 场景中物体顶点的确定 20
3.4.2 三角形面片的分割算法 21
3.5 CPU模型下参数设置及其他函数实现 22
3.5.1 设置光源属性 22
3.5.2 设置材质属性 23
3.5.3 启动光照 23
3.5.4 其他函数实现 24
第四章 GPU下的光线跟踪算法实现 25
4.1 算法中的变换实现 25
4.1.1 几何变换 25
4.1.2 投影变换 25
4.1.3 视口变换 26
4.1.4 视景转换 26
4.2 算法中的回调函数实现 27
4.3 算法中的绘图和分割面片实现 27
4.4 GPU模型下的其它函数实现 27
4.5 GPU模型下参数设置 28
4.5.1 设置光源属性 28
4.5.2 设置材质属性 28
4.5.3顶点程序配置 29
4.5.4 片段程序配置 30
4.6 CG光照程序 31
4.6.1 顶点的光照程序 31
4.6.2 片段的光照程序 33
第五章 实验结果与分析 34
5.1 实验结果 34
5.2 结果分析 35
第六章 结束语 37
致谢 38
参考文献 39