基于GPU加速的光線跟蹤技術研究與實現

論文字數:19025,頁數:43

摘要

 隨著圖形處理器性能的提高、可編程特性的發展，及可編程硬件高級語言(如CG語言)的發展,人們開始將圖形處理流水線的某些處理階段和圖形算法逐漸從CPU向GPU 轉移。
 光線跟蹤算法是一種經典的真實感繪制算法,它利用光路可逆原理,通過追蹤光線,能很好地渲染真實世界。本論文介紹了可編程圖形硬件基礎，分析了基于GPU 的光線跟蹤技術的實現原理。設計的6 個實驗場景所包含的三角形面片數，從2016 個到60960 個成復雜度遞增；在3 種不同分辨率下，分別實現GPU 和CPU 的光線跟蹤繪制。對實驗結果比較、分析后，得到了GPU 加速的光線跟蹤技術的特點。

關鍵詞 CG；openGL；光線跟蹤；圖形處理器

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

 
目錄

摘要 I
ABSTRACT II
第一章 緒論 1
1.1背景 1
1.1.1 計算機圖形學的發展和應用 1
1.1.2 圖形處理器(GPU)的現狀和地位 2
1.1.3 圖形及硬件編程語言 3
1.2 課題主要研究的內容 4
第二章 光照 6
2.1 光照模型 6
2.1.1 放射光 6
2.1.2 環境光 7
2.1.3 漫反色和Lambert模型 7
2.1.4 鏡面反色和Phong模型 9
2.1.5 簡單局部光照模型 10
2.2 插值算法 10
2.3 光線跟蹤 11
第三章 CPU下的光線跟蹤算法實現 13
3.1 openGL基礎知識 13
3.1.1 openGL工作流程 13
3.1.2 openGL數據類型和函數名 14
3.1.3 openGL描述圖元 15
3.2 算法中的變換實現 16
3.2.1 幾何變換 16
3.2.2 投影變換 17
3.2.3 視口變換 18
3.2.4 視景轉換 18
3.3 算法中的回調函數實現 19
3.4 算法中的繪圖和分割面片實現 20
3.4.1 場景中物體頂點的確定 20
3.4.2 三角形面片的分割算法 21
3.5 CPU模型下參數設置及其他函數實現 22
3.5.1 設置光源屬性 22
3.5.2 設置材質屬性 23
3.5.3 啟動光照 23
3.5.4 其他函數實現 24
第四章 GPU下的光線跟蹤算法實現 25
4.1 算法中的變換實現 25
4.1.1 幾何變換 25
4.1.2 投影變換 25
4.1.3 視口變換 26
4.1.4 視景轉換 26
4.2 算法中的回調函數實現 27
4.3 算法中的繪圖和分割面片實現 27
4.4 GPU模型下的其它函數實現 27
4.5 GPU模型下參數設置 28
4.5.1 設置光源屬性 28
4.5.2 設置材質屬性 28
4.5.3頂點程序配置 29
4.5.4 片段程序配置 30
4.6 CG光照程序 31
4.6.1 頂點的光照程序 31
4.6.2 片段的光照程序 33
第五章 實驗結果與分析 34
5.1 實驗結果 34
5.2 結果分析 35
第六章 結束語 37
致謝 38
參考文獻 39