基本信息
- 项目名称：
- 基于GPU的全局光照渲染技术
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品是一个全局光照渲染器。功能是由给出场景物体形状、表面属性、照明情况，以及观察角度等数据，根据光传播的物理规律，把观察到的画面绘制出来。本作品使用CUDA编程接口，利用GPU强大的并行计算能力，完成关键部分的计算，较之于CPU渲染器明显提高计算速度，并且采用无偏的路径跟踪算法，保证计算结果逼近真实值。本作品主要针对建筑表现、工业设计、影视制作等领域。
- 详细介绍：
- 我们已经实现了一个基本框架，其中具有以下特性： （1）能支持包含几十万个三角面的中等场景。 （2）支持漫反射，镜面反射和折射材质。 （3）采用路径跟踪算法，结果收敛于物理真实值。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- （1）目的 当前在建筑表现，工业设计，影视制作普遍采用离线渲染技术。由于离线渲染本身计算量大，而对于大多数用户，又不可能实现分布式渲染，而另一方面，图形处理器的发展使得利用GPU进行并行计算成为可能，因此利用GPU进行渲染，将会成为提高渲染速度的另一种选择，因此这方面的研究有明显的实用价值。 （2）基本思路 a.使用路径跟踪方法，以此保证结果无偏性。 首先从视点发射一条光线，找到跟最近的物体的交点，并计算这个点上面的直接光照。然后从这个点再次发射一条光线，重复之前的步骤。最后根据光照公式，把各点的直接光照混合起来，得出最终的像素颜色值。这种办法从物理上说是准确的，也就是说随着光线数增大，得到的图像越趋近于真实的光照分布。 b.尝试各种求交方法，提高效率。包括BVH树的packet traversal方法，无堆栈方法等。 c.针对图形硬件特点做出相应改进。包括隐藏访存延迟，减少条件分支，减少寄存器消耗量，利用共享内存等。 （3）创新点 提出一种适合GPU的路径终止方法。 （3）技术指标 下面是部分运行数据： 三角形数 迭代次数 分辨率 渲染总时间 3466 42 640*480 13s 382376 79 640*480 153s
科学性、先进性
- 我们这个系统的创新主要是集成创新和引进消化吸收再创新。项目实施至今，我们已经初步建立了系统框架，实现了模型的初步建立，主要有以下的特点及进步： （1） 能达到更精确的效果。由于采用路径跟踪算法，结果收敛于真实值，理论上比光子贴图等近似算法更加准确。 （2） 使用GPU实现的路径跟踪算法，相比CPU实现速度有明显提高，收敛速度加快。 （3） 目前，我们已经根据图形硬件特点，提出了一种新的终止路径的方法，在保证结果无偏性的同时不降低效率。
获奖情况及鉴定结果
- 参加校挑战杯比赛获三等奖。
作品所处阶段
- 目前我们已经实现了一个基本框架，具有以下特性： a.能支持中等场景。 b.支持基本的材质。
技术转让方式
- 未有这方面的计划。
作品可展示的形式
- 图片，视频和原型系统。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用方法： 读取obj格式文件，然后进行渲染。场景为静态场景，但可以动态改变观察视角。 技术特点： （1）能支持包含几十万个三角面的中等场景。 （2）支持漫反射，镜面反射和折射材质。 （3）采用路径跟踪算法，结果收敛于物理真实值。 适应范围： 工业设计、影视制作领域。 市场分析及经济效益： 当前系统尚处于研究阶段，具体效益尚不明朗。
同类课题研究水平概述
- 当前国外关于GPU光线追踪的研究主要集中在光线求交上。针对图形硬件的特性，需要解决的技术问题有： 1） 减少在求交过程中出现一个wrap内各个线程走向不同分支的情况。 2） 因此应该避免实现堆栈，或者采用二进制位形式的小堆栈。 3） 采取措施隐藏访问全局存储器的延迟。 针对以上问题，尤其是前两个问题，已经有了很多的研究，基本的思路有以下几点： 1） 把方向相近的光线集中在同一个wrap上，减少分支，这种方法称为packet traversal。 2） 开发无堆栈的求交方法，称为stackless traversal，此方面比较成功的有KD树的rope方法。 3） 把数据保存成纹理，利用纹理缓存加速访问。 按照国外论文报告的数据，采用当前的高端图形硬件（如GTX280），在几十万面的场景，能够达到每秒对几十到一百万条光线求交。相比之下，我们的实现还是有比较大的差距。
