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一种基于阴影图以走样的实时阴影绘制算法的研究

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摘要

阴影存在于现实世界中,只要有光和物体的地方就会有阴影的存在,它是现实世界中不可缺少的一部分。阴影的真实感和实时性绘制技术在计算机图形图像处理、三维动画影视、三维游戏以及计算机仿真等很多方面都起到了非常大的作用,也得到了广泛的应用。但是阴影的真实性与实时性绘制本身就是一个矛盾的问题,也是计算机图形学中要解决的一个重要难题。阴影真实感问题的产生主要是由于生成的阴影会产生锯齿状的走样,这是阴影图采样不足所导致的,如果阴影图的分辨率越高,阴影产生锯齿状走样的问题就越小,但是通过提高阴影图的分辨率来解决阴影真实感的问题是不现实的,因为纹理缓存空间是非常有限的,而且也会影响阴影绘制的实时性。而阴影实时性问题的产生主要是由于生成阴影需要大量的计算,使得阴影的绘制速度没有达到每秒15帧,即没有达到实时性的最低要求。
   本文通过对国内外阴影绘制技术的研究,可以将实时阴影的绘制技术分为两大类:阴影图算法和阴影体算法。这两种算法各存在优缺点。阴影图算法实现简单,能够实现阴影的实时绘制,但是生成的阴影会存在走样的现象,使得阴影的生成不够真实;阴影体算法能够生成正确清晰的阴影,但是消耗的填充率很大,而且计算量也很大,导致绘制所需的时间过长,不能达到实时性。针对阴影图走样和阴影体绘制缓慢的问题,本文通过将阴影图算法和阴影体算法结合并提出了一种基于图像空间和物体空间的阴影实时绘制算法,这个算法首先是利用基于图像空间的阴影图算法确定阴影边界区域并绘制非阴影边界区域,然后利用基于物体空间的阴影体算法绘制阴影边界区域,既能解决阴影图算法产生的阴影走样问题,又能在场景中实时绘制阴影。此外,本文还提出利用NURBS曲线的方法生成物体的阴影轮廓边缘,以快速实现清晰的阴影边界。大量的模拟实验证明该算法在三维虚拟场景中生成的阴影能够满足真实感和实时性的要求。

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