模拟人眼屈光特性及景深变化的真实视觉渲染

摘要

随着计算机图形学和计算机硬件的飞速发展，由计算机生成的虚拟现实和真实视觉渲染能够得到的结果越来越真实，然而与此同时，人们对于计算机渲染的画面的真实性的要求也越来越高。由于人的眼睛并不是一个完美的光学系统，一般人的眼睛都会有一定的缺陷，如果渲染出来的画面都是经过完美无瑕的光学系统而产生的，那么这样的画面就很容易被判断出来是由计算机生成的，而不是真实的。本文通过从模拟近视、远视和散光这三种人眼屈光特性和模拟由环境变化而产生的景深的变化这两个方面，来提高真实视觉渲染的真实性，从而提高用户在虚拟环境中的沉浸感。
　　本研究主要内容包括：⑴建立了一个包含视网膜、凸透镜和瞳孔的抽象人眼光学系统模型来模拟人眼。对复杂的人眼光学系统进行了简化；提出了一个既不需要对任何屈光表面进行建模也不需要进行折射计算的高效的方法，来计算出每一条最终能落在视网膜上的光线在进入眼睛前的方向，以此来模拟近视、远视和散光；从眼镜的参数反推真实的眼睛所对应的抽象人眼光学系统模型的参数。⑵提出了一种螺旋式类高斯采样方法，在基于光线追踪的人眼屈光特性模拟渲染算法中实现最优的光线采样。首先深入分析了采样点分布应该满足的要求：一是应尽可能覆盖更多的辐射角，二是靠近中心的采样点数量应该较多。提出了螺旋式类高斯采样方法，既满足采样点分布应满足的两个要求，又在同样的采样点数量的前提下，能取得更佳的渲染效果。⑶从理论上推导出人眼瞳孔大小与景深大小之间的关系，建立了人眼景深视觉模拟的计算模型。通过从像素颜色计算环境亮度，接着从环境亮度计算瞳孔大小，最后通过瞳孔大小控制景深，来实现景深随环境亮度变化的效果。⑷实现在GPU上利用DirectX11的Compute Shader进行光线追踪计算的近视、远视和散光的模拟；在GPU上实现由渲染结果中每个像素的颜色值通过并行算法计算出环境亮度值。⑸对采样方法和每像素采样点数量两个主要的影响渲染结果的因素进行对比和分析，给出了不同档次渲染效果的系数参考值。并对渲染性能进行分析，得出渲染时间与追踪的光线的数量成正比的结论。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2研究目标与研究内容

1.3本文的组织结构

第二章 人眼光学系统的模拟

2.1人眼光学系统模型的抽象

2.2模拟近视

2.3模拟远视

2.4模拟散光

2.5眼镜的参数

2.6本章总结

第三章 光线采样方法

3.1采样点的分布应满足的要求

3.2矩形均匀采样

3.3矩形高斯采样

3.4螺旋式类高斯采样

3.5本章总结

第四章 环境亮度与景深

4.1像素颜色与环境亮度的关系

4.2环境亮度与瞳孔大小的关系

4.3瞳孔大小与景深的关系

4.4本章总结

第五章 渲染结果与分析

5.1近视渲染结果

5.2远视渲染结果

5.3散光渲染结果

5.4景深变化渲染结果

5.5不同采样方法的渲染结果的对比与分析

5.6每像素采样点数量对结果的影响与分析

5.7性能分析

5.8不同屈光特性人眼视觉渲染结果对比

5.9本章总结

第六章 总结和展望

6.1论文工作总结

6.2进一步展望

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

在学期间发表的学术论文

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