第一章 緒論
1-1 研究背景
圖1 全域照明比較 [1]
左圖為單純直接照名效果，右圖為加入全域照明效果
全域照明( global illumination )是指在場景中，非發光體反射發光體的直接光 照，對空間中其他物體產生的間接照明效果，在繪製( render )的場景結果中加入 全域照明效果能更加真實且華麗地呈現畫面(如圖 1)。
在電腦圖學領域中過去關於全域照明效果的研究大多分為：以大量運算及 運算時間換取較精準結果的非即時方法；以及省略部分複雜運算以換取互動性 較佳的結果之即時運算方法兩種研究方向。前者可常見於動畫電影、電影特 效、照明效果模擬等等，看到的結果通常是以相當精準的光線追蹤、大量的光 線採樣，並在長時間運算後產生結果；後者則多是利用近似的結果，省去長時
2
間的大量運算，來達到能夠在短時間內根據使用者的輸入對場景作出反應，此 方法多用在遊戲、展覽等互動媒體上，是為即時運算方法。
因近年虛擬實境( virtual reality )裝置盛行，透過虛擬實境呈現空間設計內容 的需求漸增，以虛擬實境裝置呈現非即時運算的結果固然能夠展現正確的照明 效果，由於其結果為預先產生，較難即時呈現使用者移動、光源位置移動等等 參數變化的效果。又因演算硬體的演進，當今的使用情境對於即時運算繪製的 場景品質要求也相對提高。在滿足互動性的前提下，加入一定品質的全域照明 效果，已經成為幾乎必要的需求。
1-2 研究目的
即時運算的限制即在呈現繪製結果時，令使用者感覺畫面是具有互動性且 連續的，但相較於單純的直接光照，呈現全域照明效果的運算相對複雜許多。
要讓人眼產生畫面為連續的錯覺，畫面呈現的幀數必須要在每秒 30 張以上，但 在呈現沒有動態模糊的繪製結果時，幀數呈現要接近每秒 60 張才能產生畫面較 圓滑的效果。
在西元 2010 年，Crytek 提出以光傳遞容積( Light Propagation Volume，簡稱
LPV ) [2]即時呈現全域照明的效果，以當時的硬體設備能以每秒 40 張左右呈現 光源未變化的場景全域照明效果，光源變化的情形則約每秒 20 張，都相當接近 或超過每秒 30 張的門檻。因此希望透過此即時的全域照明演算法，來達成在虛
3
擬實境裝置上，以超過每秒 30 張或接近每秒 60 張的畫面，呈現具有全域照明 效果的繪製結果呈現。
1-3 論文結構
本篇論文主要將以光傳遞容積演算法之說明及利用 OpenGL 實作平行化的 部分為主，此二部分將佔大多篇幅。
由於主要部分為實作即時演算全域照明演算法，首先將先說明過去較著名 的幾個全域照明演算法，說明各個包含即時及非即時演算法大致如何達成全域 照明的效果；然後將說明主要使用的光傳遞容積的詳細內容，包含如何以球諧 函數( spherical harmonics )近似光照貢獻模型、在容積間傳遞光照資訊等；接著 為如何實作光傳遞容積的演算法並平行化；最後呈現以此方法的效能及畫面比 較。
4