基本信息
- 项目名称：
- 实时环境映射纹理采样的新方法
- 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A类
- 简介：
- 在计算机图形学中，环境映射是模仿现实生活中的镜面反射现象的技术。这种技术能够极大的提高图形图像的真实感。 本项目对实时环境映射的算法进行了深入分析，并提出了一种基于球面环境映射的纹理采样方法，通过这种方式得到全景图，实现实时环境映射，比常用的实时环境映射效率提高六倍，提高了实时纹理采样效率，并且经过实验验证，这种技术最后能够得到可以接受的环境映射效果。
- 详细介绍：
- 在计算机图形学中，环境映射是模仿现实生活中的镜面反射现象的技术，这种技术能够极大的提高图形图像的真实感，无论是在电影、游戏还是其它仿真行业中都使用了这种技术，而且随着计算机硬件的高速发展，还有人们对计算机图形真实感的不断追求，这种技术在计算机中将会越来越常用。 在以前，由于硬件的限制，计算机中的环境映射一般都使用静态环境映射，虽然能够极大的提高图形图像的真实感，但是在交互式的图形系统中，这种映射方案不能真实的反映出环境变化情况，从而得到的图像并不真实，如果想要得到真实的环境映射效果只能够在大型的图形系统或者高性能计算机中才可能得以实现。 而在当前，随着计算机硬件的高速发展，特别是显卡的更新换代，实时环境映射的普遍应用成为可能，通过对当前常用的实时环境映射的技术研究发现，现在常用的实时环境映射(Cubemap)[1]技术，是由以前静态环境映射技术不加改变的移植而来的，虽然能够得到极好的映射效果，但是在效率上就造成了极大的浪费。 基于这种情况，本文对实时情况下的环境映射进行了深入研究，并提出了一种可行的实时环境映射方案。该方案改进来自原本的球面环境映射技术，并结合当前最新的硬件特性，加上本文所提出的采样算法，实现了实时环境映射效果。 这种实时环境映射技术将原本需要六次渲染采样得到实时纹理图像的技术改成一次渲染采样就得到实时纹理图像，极大的提高了实时纹理采样效率，并且经过实验验证，这种技术最后能够得到可以接受的环境映射效果。 它更重要应用领域是用在一些非全反射特性的物体上，比如铬映射(chrome mapping)[2]，对于那些需要实时模糊反映环境状态的对象或者需要模糊反映复杂的光影效果的对象来说这种技术相对于立方体环境映射(Cubemap)，将是更好的选择。 在本文的最后对全反射的特性物体在实时环境映射提出了一种理论可行的映射技术，并通过了实验的初步验证，这种技术原理来自于立方体贴图原理，但将原本的六次采样改成三次采样，得到的效果却和立方体环境映射的效果几乎一样，极大的提高了实时环境映射的实用性。
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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
- 在微软的DirectX2010 官方文档中有一个名为HDRCubemap的演示程序，该程序主要演示了实时环境映射这项技术，当我们第一次看到这个示例的时候被这种技术所带来的视觉真实感深深震撼了，于是想到如果能够在游戏、交互式三维系统、或者其它计算机仿真领域中大量使用这种技术，将会极大提高图形图像的真实感，给用户更好的视觉享受。 经过深入了解发现，现在常用的实时环境映射技术(Cubemap技术)是以前静态环境映射技术不加改变移植而来的。这样虽然能够得到极好的映射效果，但是在效率上就造成了极大的浪费，因为它需要的计算量非常庞大，也只有在高性能计算机或者大型的图形系统中这种技术才适用，在一般的计算机上只能实现简单的效果。 基于上面的分析我们对实时条件下的环境映射效率进行了深入研究，期望找到一种能够在普通计算机上高效使用实时环境映射技术的解决方案，能够让普通用户也能够享受到这种技术为计算机图形图像带来的视觉真实感。 经过研究之后终于找到了一种可行的实时环境映射方案。该方案改进来自原本的球面环境映射技术，并结合当前最新的OpenGL扩展技术(FBO技术)，加上本作品所提出的采样算法，实现了实时环境映射相同的效果。 这种实时环境映射技术将原本需要六次渲染采样得到实时纹理图像改成一次渲染采样就得到实时纹理图像，极大的提高了实时纹理采样效率。并且经过实验验证，这种技术最后能够得到可以接受的环境映射效果，同时又能够在普通的计算机上高效地运行。
科学性、先进性
- 本作品研究的是计算机图形学中的高级纹理绘制技术——实时环境映射，在国内外的各大知明学术网站中这方面的资料和研究都相对较少。本作品的目的是改进现有技术效率上的不足，研究最后提出的方案都经过了实验的严格验证。该技术主要由球面环境映射算法和FBO技术再加上本文推导的采样算法有机结合而来。 与当前的实时环境映射技术相比，该技术主要将原本需要六次采样达到实时环境映射改成一次采样达到实时环境映射，同时运用了最新的FBO技术，极大的提高了实时环境映射的效率。在一般普通的计算机或者大型三维场景中比现有的技术表现得更好。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年04月26日，该作品以论文的形式在教育部科技查新工作站(Z05)完成科技检索。 检索人：陈英 报告编号：20112096 2011年5月，在第三届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛校赛中荣获一等奖
作品所处阶段
- 后期优化阶段
技术转让方式
- 专利申请权转让
作品可展示的形式
- 演示程序
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
- 本技术以SDK提供，可以在渲染项目中加载这个包，使用接口函数。 与当前的实时环境映射技术相比，本作品提出的技术主要将原本需要六次采样达到实时环境映射的过程改成一次采样达到实时环境映射，同时运用了最新的FBO技术，极大的提高了实时环境映射的效率。在一般普通的计算机或者大型三维场景中比现有的技术表现得更好。 本作品的技术还可以用来模仿一些复杂的实时光影特效（如物体高光、水面波纹和动态阴影等）、模糊的实时环境纹理特效(如粗糙表面的实时环境映射、半透明玻璃的表面纹理等)和复杂动态纹理(如场景草木纹理)等等。 同时该技术也是模糊环境映射如铬映射(chrome mapping)在实时环境下的最好选择。
同类课题研究水平概述
- 环境映射技术提出以来至今日，经过了多次技术变革。自从立方体环境映射提出以后，环境映射的算法方面没有经历过太大的变化。而在以后的发展过程中，硬件的发展是带动环境映射发展的重要因素，一些原本在计算机中难以快速计算的映射方案慢慢的随着硬件发展变成了现实，比如光线跟踪技术，在现在的一般计算机上就能简单的使用光线跟踪技术实现环境映射。 而计算机硬件发展到今天这种状态，实时环境映射在一般的计算机上面已经成为了可能，而以前提出的算法，不管是球面环境映射还是立方体环境映射，他们提出的时候都有一个共同点，都是考虑在静态环境下表示环境映射，一般实现方法基本上都是在程序开始的时候从外部导入一张环境纹理图像，贴图实现模拟环境映射的效果，这样的好处是可以高效地表示环境映射，也能得到极好的效果，但是一个不能让人接受的事实是这种环境映射的本身是静态的，也就是说，当从外部导入图像的时候开始，物体所能表现的环境信息就完全固定了，当有一个动态的物体在场景中运动的时候就不能反映出这个物体状态，因此得不到正确的信息。 要解决这个问题就必须实时的对环境纹理进行更新，目前的技术也能够比较好的解决这个问题，因为硬件能力的极大提高，实时立方体环境映射在一般的计算机简单的场景中也能够比较好的运行起来。实时立方体环境映射顾名思义，就是在每一次渲染的时候都在物体的中点位置进行六次环境采样，以得到环境“天空盒”。最后再贴图到物体表面，以达到实时效果。这种技术的一个最大缺点是效率低。每一次渲染都要对周围环境进行六次采样。在交互式计算机图形系统中，每一秒要求渲染场景六十次才能保证图形系统的流畅，在比较简单的场景还可以运行起来，可是在稍微大型场景中，这种技术就变得极其不实用了。目前人们通常采用降低环境映射刷新频率或者减少采样过程中的场景对象的方法来提高效率，但这样又降低了真实感。
