基于GPU的实时大气散射渲染优化算法研究与实现

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基于GPU加速的改进的光线投射算法研究

的快速发展，其浮点运算速度已大大超过 CPU，很多基
于 CPU 实现的光线投射算法被加以改进，以便能在
GPU 上运行。文献[3]提出了一种基于 Pixel Shader 2.0
API 的多步光线投射算法。文献[4]实现了基于 GPU 的
最大密度投影（MIP）绘制。尽管基于 GPU 的光线投射
绘制时间为 1.3 s 左右，交互时的绘制帧数在 20~40 之间。在绘制时间方面，不仅比传统的基于 CPU 的算法有大幅度提高，相
比于前人的基于 GPU 的算法也有明显改进，加速比可以达到 1.5 左右。
关键词：GPU；光线投射算法；体绘制；采样间距；不透明度值
中图分类号：TN911.73⁃34；TP391.9
算机将人体组织和器官的二维数字断层切片通过插值
技术将其转化为具有直观立体效果的图像。
医学图像的三维可视化技术主要包括面绘制和体
绘制 [2]。与面绘制相比，体绘制重建出的图像效果渲染
收稿日期：2015⁃12⁃27
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61179019，61261028）；
内蒙古科技大学创新基金（2014QDL045）
014010）
（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头
摘
要：传统的医学图像体绘制算法大多通过 CPU 端实现，为解决传统算法存在绘制时间较长，交互不够流畅，且使用平
台单一等问题，提出了一种基于图形处理器（GPU）的医学序列影像的实时体绘制技术。通过对不透明度值设置阈值，提前终止
光线计算，并在光线遍历体数据时，调整采样间距，改进了光线投射算法。实验结果表明，对其中一组最大数据（931 张切片）的
Abstract：The traditional volume rendering algorithms of medical image are mostly realized with CPU. In order to solve the

一种基于GPU的实时烟雾模拟体绘制算法研究

一种基于GPU的实时烟雾模拟体绘制算法研究作者：邓定胜来源：《电脑知识与技术》2019年第32期摘要：文章以怎样才能在大规模场景中渲染出高效率和高真实感的烟雾效果为出发点，以GPU渲染管线流程为可编程基础，利用以纳维一斯托克斯流体动力学方程（Navier-Stokes equations：简称NS方程）为基础，用大规模场景中的烟雾形态表现为密度场，通过基于光照的计算和硬件加速的体绘制算法来实时模拟场景中的烟雾效果。

在实时渲染过程中，随机的加入风的扰动来使渲染效果更加真实。

实验表明，该方法能高效真实的渲染出烟雾模拟效果，具有较高的绘制效果和真实感。

关键词：GPU;体绘制;NS方程;实时烟雾模拟;物理模拟中图分类号：TP31 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2019）32-0245-03近年来，随着计算机硬件的发展，特别是图形硬件的蓬勃发展，使得在微型机上绘制图形的速度和质量有了显著的提升。

但是由于绘制场景越来越复杂，致使很多自然效果模拟出来不够真实和高效。

这里，大规模场景中烟雾模拟的真实渲染就是其中的热点研究之一。

灰蒙蒙的雾霾、浮动的云彩、奔腾的海浪、激情燃烧的火焰等流体现象的模拟在虚拟现实、歌舞剧场、电影特效、电子游戏等领域具有重要作用，能有效衬托环境气氛，而流体模拟的计算开销较大，难以保证实时效果;而且烟雾运动规律复杂，形状也随机发生变化，所以如何真实模拟烟雾效果很是一个值得挑战的课题，具有非常实现的意义。

1烟雾模拟算法要渲染出高真实感的烟雾效果，先前图形学研究者们已经提出了很多方法。

烟雾的模拟技术要考虑到场景中所有表面与烟雾颗粒相互的效果，相对于只考虑烟雾颗粒之间的相互作用要繁杂得多，计算量也大很多。

1.1烟雾模拟的方法与设计方案烟雾模拟的方法与设计方案主要包括三大部分：1）基于粒子系统的烟雾模拟：该模拟是流体类物体模拟的经典模拟方式之一，采用粒子系统绘制出烟雾颗粒，并且利用物理运动学的运动规律来控制粒子的运动，但是现在的绘制场景中都较为复杂和大规模化，这样生成的粒子数就很多，使得渲染频率急剧降低。

基于GPU的高效光线追踪技术研究与实现的开题报告

基于GPU的高效光线追踪技术研究与实现的开题报告一、选题的背景和意义随着计算机图形学和游戏行业的迅速崛起，渲染技术也得到了广泛应用。

光线追踪是一种基于物理光学原理的高级渲染技术，以其能够产生高质量渲染图像的优势得到了广泛关注，成为了当前最流行的渲染方式之一。

然而，光线追踪的计算量极大，需要大量的计算资源和时间。

本文旨在研究如何使用GPU实现高效的光线追踪技术，以提高实时交互、游戏和虚拟现实场景的渲染质量和效率。

二、研究内容本文将着重研究以下内容：1. 了解光线追踪原理和算法。

研究目前流行的光线追踪算法，并比较其优缺点。

2. 学习GPU工作原理和编程模型。

掌握GPU的基本概念和计算模型，学习如何使用CUDA程序设计语言来实现GPU应用程序。

3. 设计并实现GPU加速的光线追踪算法。

结合GPU的并行计算能力，设计优化的光线追踪算法，并进行实现和测试。

4. 对比实验和性能优化。

评估所设计的光线追踪算法的性能和质量，并通过实验和性能优化措施来改进算法的效率和速度。

三、预期成果和贡献本文预期实现一个基于GPU的高效光线追踪算法，并对其进行性能和质量评估。

研究成果将能够为实时交互、游戏和虚拟现实等领域提供高质量渲染技术的支持，并促进了解GPU计算能力的应用和发展。

四、研究方法和进度本文将采用文献调研、算法设计和实现、实验和性能优化等方法来完成研究。

预计研究周期为9个月，具体实施计划如下：1. 第1个月：调研现有光线追踪和GPU加速技术。

2. 第2-4个月：学习GPU编程和CUDA语言。

3. 第5-6个月：设计并实现基于GPU的光线追踪算法。

4. 第7-8个月：对算法进行实验和性能优化。

5. 第9个月：完成论文写作和论文答辩。

基于GPU的实时渲染第四版

本科毕业设计(论文)( 2014届 )论文题目基于GPU的虚拟演播室实时渲染研究GPU-BASED REAL-TIME RENDERING VIRTUAL STUDIO学生姓名：徐睿超学号：100701127 二级学院名称：电子信息学院专业：广播电视工程指导教师：张根源职称：教授合作/企业教师：职称：郑重声明我谨在此郑重声明：本人所写的毕业论文《基于GPU的虚拟演播室实时渲染研究》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：年月日基于GPU的虚拟演播室实时渲染研究摘要：21世纪，中国的电视行业飞速发展，因为虚拟演播室能够为电视节目的创意和变现力提供极大的提升空间，所以越来越受到各大卫视的欢迎。

本文简要分析了虚拟演播室的构成、GPU的结构组成和GPU实现实时渲染的方式。

重点比较了CPU和GPU 的结构组成、运算方式以及在实时渲染中发挥的作用。

简要设计了实时渲染虚拟演播室的核心架构，以解决虚拟演播室能够达到实时渲染。

通过使用GPU+CPU双处理核心的硬件支持下，配合桌面级实时渲染软件，能够在使用一台或者几台电脑的条件下，构建出一个渲染速度能够达到原有渲染速度500-900倍的实时渲染工作站。

关键词：虚拟演播室；GPU；渲染；实时渲染GPU-BASED REAL-TIME RENDERING VIRTUALSTUDIOABSTRACT：The 21st century, the rapid development of China's television industry, because the virtual studio can provide a great space for creativity and enhance the realization of television programs, so more and more major TV welcome. In this paper, the contents of the virtual studio composition, structure and composition of GPU and GPU to achievereal-time rendering approach a brief analysis of the structure of the CPU and GPU on the composition, calculation methods and the role played in real-time rendering were compared, the last of Real-time rendering core architecture virtual studio briefly designed to solve the virtual studio to achieve real-time rendering problems. Finally concluded, through the use of GPU + CPU dual-core processing hardware support, with desktop-class real-time rendering software, capable of using one or in several computers conditions, construct a rendering speed can reach 500 original rendering speed -900 times the real-time rendering workstation.Keywords：Virtual Studio；GPU；Render real-time；Rendering目录1 绪论....................................................................................................................................... - 5 -1.1 选题背景及意义.............................................................................................................. - 5 -1.2 国内外研究现状.............................................................................................................. - 5 -1.3 研究内容.......................................................................................................................... - 5 -1.4 研究目的.......................................................................................................................... - 6 -2 虚拟演播室........................................................................................................................... - 7 -2.1 虚拟演播室应用现状 .................................................................................................... - 7 -2.2 虚拟演播室的基本技术 .................................................................................................. - 7 -2.3 虚拟模型与实际场景合成技术 ...................................................................................... - 7 -2.4 什么是渲染...................................................................................................................... - 7 -3 GPU的简介........................................................................................................................... - 8 -3.1 GPU的诞生....................................................................................................................... - 8 -3.2 GPU的结构....................................................................................................................... - 8 -3.3 GPU的分类....................................................................................................................... - 8 -4 GPU实现实时渲染............................................................................................................. - 10 -5 GPU应用的方式................................................................................................................. - 11 -6 GPU与CPU的对比 ............................................................................................................ - 13 -6.1 GPU与CPU的相同点 .................................................................................................... - 13 -6.2 GPU与CPU的不同之处 ................................................................................................ - 13 -6.3 GPU与CPU的数据处理关系 ........................................................................................ - 15 -7 基于GPU技术实现对虚拟演播室的实时渲染 ................................................................ - 16 -7.1 基于GPU技术实时渲染的过程................................................................................... - 16 -7.2 基于GPU技术实时渲染演播室的优点....................................................................... - 17 -7.3 基于GPU技术实时渲染演播室的前景....................................................................... - 18 -8结论.................................................................................................................................... - 18 -参考文献................................................................................................................................... - 20 -1 绪论1.1 选题背景及意义中国的电视行业在近几年来飞速发展，观众对电视节目要求越来越高，各大卫视已经不是局限在普通的电视节目制作流程上，在虚拟演播室中通过抠像技术配合三维模型的各色各样的节目已经越来越被重视。

游戏开发中的实时光线追踪技术

游戏开发中的实时光线追踪技术实时光线追踪技术在游戏开发中的应用价值随着计算机图形学的不断发展，实时渲染技术在游戏开发中扮演着至关重要的角色。

实时光线追踪技术作为一种高度真实的渲染方法，近年来备受关注。

本文将探讨实时光线追踪技术在游戏开发中的应用价值，并展示其对游戏图像质量和视觉体验的影响。

一、实时光线追踪技术简介实时光线追踪技术是一种用于生成照片级别图像的计算机图形渲染方法。

与传统的栅格化渲染技术相比，实时光线追踪技术基于物理光线的传播规律，能够更准确地模拟光线与物体之间的相互作用，实现更真实的光照效果。

目前，实时光线追踪技术的基本原理已得到广泛研究，各种基于GPU加速的实时光线追踪算法也不断涌现。

这些算法的实时性能在不断提升，使得实时光线追踪技术逐渐从实验室走向了商业应用。

二、实时光线追踪技术在游戏开发中的应用1. 真实光照效果实时光线追踪技术能够模拟真实的光照效果，实现逼真的反射、折射、阴影等效果。

传统的栅格化渲染技术无法完全准确地模拟光线与物体之间的相互作用，导致图像质量有限。

而实时光线追踪技术通过追踪每条光线的传播路径，计算光线与场景中各个物体的交互，实现更真实的光照效果，提升图像质量。

2. 更好的能源模拟实时光线追踪技术在能源模拟方面有着巨大的潜力。

光线追踪技术能够准确模拟光与物体的相互作用，包括光线的反射、折射、散射等。

通过使用实时光线追踪技术，游戏开发者可以更好地模拟太阳光照射、水面反射、大气散射等能源现象，使得游戏场景更加真实。

3. 高质量的阴影效果实时光线追踪技术能够生成高精度的阴影效果。

传统的栅格化渲染技术通常使用简化的阴影算法，无法准确模拟物体之间的透明阴影、柔和阴影等细节。

而实时光线追踪技术能够通过追踪光线的传播路径，计算每个像素点与光源间的光线交互，生成更真实的阴影效果。

4. 物体表面的真实渲染传统的栅格化渲染技术通常使用纹理映射和着色器等方法来实现物体表面的渲染效果。

基于GPU的目标电磁散射弹跳射线法分析软件开发

基于GPU的目标电磁散射弹跳射线法分析软件开发基于GPU的目标电磁散射弹跳射线法分析软件开发随着科技的进步，电磁散射理论在雷达、无线通信、电子反抗等领域的应用越来越广泛。

针对目标电磁散射特性的研究和分析是这些领域中不可或缺的一部分。

在目标电磁散射分析中，弹跳射线法是一种被广泛应用的方法。

然而，由于计算量大、复杂度高和耗时长等问题，弹跳射线法的计算效率一直以来都是研究者关注的焦点之一。

为了提高目标电磁散射的分析和计算效率，本文提出了一种基于GPU的目标电磁散射弹跳射线法分析软件开发。

目标电磁散射的弹跳射线法是一种基于物体表面上的散射点，沿特定路径传播的方法。

在目标电磁散射理论中，通常使用射线来表示电磁波在目标物体中传播的路径，通过弹跳射线的反射、折射和透射等过程来描述电磁波与目标物体之间的相互作用。

弹跳射线法的优势在于它可以在不需要解Maxwell方程的情况下，对目标电磁散射特性进行快速分析，从而大大降低了计算复杂度。

然而，由于传统的弹跳射线法是串行计算，计算耗时长，特别是针对大规模目标物体的分析，计算效率亟待提升。

因此，本文提出了一种基于GPU的目标电磁散射弹跳射线法分析软件开发方案。

GPU（图形处理器）以其并行计算的特点，成为加速目标电磁散射分析的理想工具。

首先，我们利用GPU的计算能力，将传统的串行计算过程转变为并行计算，从而大幅提高了计算效率。

其次，我们利用GPU的大内存和高速缓存，充分利用了GPU的优势，提高了数据读取和处理的性能。

最后，我们利用GPU的图像处理能力，优化了结果的可视化，进一步提高了用户体验。

该软件的开发过程中，我们采用了CUDA（ComputeUnified Device Architecture）编程模型，结合C/C++语言进行开发。

CUDA是一种为GPU计算而设计的并行计算平台和编程模型，可以将目标电磁散射分析中的各种计算任务划分为多个线程，利用GPU的并行计算能力进行高效计算。

高级渲染技巧在Blender中制作真实的大气光散射效果

高级渲染技巧：在Blender中制作真实的大气光散射效果Blender是一款功能强大的三维建模软件，它不仅可以创建逼真的场景和模型，还可以通过渲染技巧增强作品的真实感。

本文将介绍在Blender中制作真实的大气光散射效果的高级渲染技巧。

1. 创建场景首先，在Blender中创建一个适当的场景。

可以是一个自然景观，比如山脉、森林或海洋，或者是一个城市景观。

确保场景中有足够的细节和元素，以便在后续的渲染中能够体现出大气光散射的效果。

2. 设置光源选择一个太阳光或者其他强烈的光源，将其放置在场景中的一个合适位置。

调整光源的强度和颜色，使其能够模拟真实世界中的阳光。

此外，你还可以尝试使用环境光或填充光来增强场景的整体亮度和色彩。

3. 添加大气效果在Blender的渲染配置中，添加大气散射节点。

这个节点可以模拟大气中的光线散射效果，使场景更加真实。

调整节点的参数来获得理想的效果。

通常，增加大气密度会使得光线更容易散射，产生更强烈的大气光效果。

4. 调整材质对于场景中的物体和材质，需要进行一些调整，以便更好地反映大气光散射的效果。

可以为表面添加一层透明度和反射率，以模拟大气的折射和反射。

此外，还可以调整材质的颜色，使其与场景中的光照和大气光散射相协调。

5. 调整摄像机设置对于摄像机的设置，需要选择合适的焦距和角度，以便能够最好地捕捉到大气光散射的效果。

通过调整摄像机的位置和参数，可以获得更真实的渲染结果。

6. 渲染和后期处理将场景配置好后，可以开始渲染图像。

使用Blender的渲染引擎或者其他外部渲染器来获得高质量的图像。

在渲染完成后，可以使用图像处理软件进行后期调整，增强大气光散射的效果，比如调整亮度、对比度和色彩平衡等。

总结：利用Blender的强大渲染功能，我们可以轻松实现真实的大气光散射效果。

通过适当的设置光源、添加大气效果节点、调整材质和摄像机设置，以及后期处理的手段，我们可以创造出令人惊叹的渲染作品。

大气效果实时绘制加速算法的研究的开题报告

大气效果实时绘制加速算法的研究的开题报告一、研究的背景和意义当前，大气模拟技术在3D游戏、虚拟现实等领域已经得到了广泛应用，使得场景更加真实、逼真，提高用户的视觉体验。

其中，大气效果的实时绘制是其中一个重要的组成部分。

大气效果包括了天空颜色变化、云层的运行、天气的变化、日月星辰等效果。

然而，实时绘制大气效果从时间上和空间上都面临着巨大的挑战，需要优秀的算法来解决这些问题。

因此，本研究旨在研究大气效果实时绘制加速算法，旨在提升大气效果的实时绘制效率，在提高用户的视觉体验的同时，更加适应于日益发展的游戏、虚拟现实等领域。

二、研究的内容和方法本研究的具体内容包括以下方面：1. 研究大气效果实时绘制的基本原理和现有的算法；2. 分析大气效果实时绘制算法中存在的问题和挑战；3. 根据问题和挑战，提出新的优化算法，包括透视推进、缓存中间结果等；4. 根据所提出的算法，设计相应的数据结构和程序实现；5. 在常见的3D游戏引擎上进行实验测试，验证算法的有效性；6. 分析实验结果，得出结论，并对所提出的算法进行总结和改进。

本研究采用的方法包括文献研究、理论分析、实验测试等方法，旨在全面、深入研究大气效果实时绘制加速算法。

三、预期的研究成果和创新点本研究的预期成果包括以下方面：1. 完成大气效果实时绘制加速算法的研究，掌握该领域的相关知识；2. 设计出一种新的优化算法，提高大气效果实时绘制的效率；3. 在常见的3D游戏引擎上进行实验测试，验证算法的有效性；4. 得出结论并提出改进意见，为该领域的研究提供新的思路和方法。

本研究的创新点在于，针对大气效果实时绘制中存在的问题和挑战，提出新的优化算法，包括透视推进、缓存中间结果等。

这些算法能够有效提高大气效果的实时绘制效率，具有较强的实用价值。

同时，本研究还将验证提出算法的有效性，为该领域的研究提供参考。

基于GPU的实时素描风格渲染算法

基于GPU的实时素描风格渲染算法高山晓;吴献【期刊名称】《计算机应用》【年(卷),期】2015(000)0z1【摘要】To simulate lines and shades in sketch style better, this paper presented an improved technique for rendering 3D meshes in the pencil drawing style. The algorithm divided the rendering process into three processes - contour drawing, texture drawing and tone adjustment. For contour drawing, this paper used multi-sampling to detect object contours and proposed chi-square distribution and trigonometric function to imitate the pencil line drawing. For texture drawing, this paper used the tangent and binormal of the model to generate integration directions. Then a pencil drawing texture was generated by using Liner Integral Convolution ( LIC) technology. As the result of the blend of multiple rendering may lead the tone to gray, this paper added the tone drawing before the final output. Through the Newton interpolation method to calculate the output curve, the final color distribution results were more like pencil drawing style. Experiments show that the work is more efficient and has a better performance. This algorithm can better simulate the hand-painted style lines and be applied to video game rendering.%为了更好地模拟素描画中线条的轻重变化和明暗变化，提出了一种改进的素描风格渲染算法。