万花筒模拟
背景介紹
還不知道什么是萬花筒的小朋友請點(diǎn)擊這里：
?最常見的萬花筒，側(cè)邊是由三面鏡子構(gòu)成的，鏡子不斷反射底部的圖像，產(chǎn)生千變?nèi)f化的組合。它產(chǎn)生的圖像比如：
?（圖1）（圖2）
為了更清晰的解釋，我們用下面的圖為例：
（圖3）
以上圖ABC為例 ，真實(shí)的圖像是中間最亮的三角形部分，其余的鏡像都是由鏡子反射造成的。
我們的目標(biāo)就是要用計算機(jī)模擬萬花筒生成的圖像。
目標(biāo)詳解
輸入：
底圖，以上面ABC為例，就是中間最亮的三角形部分；
輸出：
以底圖為基礎(chǔ)，正確的繪制出反射圖像。不僅要考慮最簡單的平鋪形式（ABC這個例子就是平鋪）；還要考慮萬花筒的鏡子可以調(diào)整，比如調(diào)整后可以生成圖2所示的結(jié)果。
具體目標(biāo)：
-正確的處理圖像鏡像；
-模擬鏡子的非理想表面，比如散射和反照率。
目標(biāo)分析
-
?處理圖像鏡像
有兩個備選方案：
方法一，中心圖像是原始圖像，其它部分都是原始圖像的鏡像，很自然想到算出正確的鏡像平鋪開即可。基本原理如下圖所示。
但是為了模擬更一般的情況（比如圖2），鏡像是在三維空間而不是二維空間中計算的。另外，要考慮到鏡像之間交叉或者重疊情況。
除了以上這些問題，這個方法最重要的潛在的問題是：由于并非物理模擬，不容易擴(kuò)展；比如鏡子的材質(zhì)或形狀改變，很可能會導(dǎo)致這種方法的失效。
當(dāng)然，這個方法的優(yōu)點(diǎn)也很明顯，就是效率，如果用GPU實(shí)現(xiàn)，幾乎沒有什么計算，除了簡單的紋理采樣計算。
考慮到我們的主要是用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#xff0c;效率的要求不是特別迫切，我們嘗試尋找更接近物理的模擬方法。
方法二，光線跟蹤。不了解光線跟蹤但感興趣的同學(xué)請wiki之。
適合用光線跟蹤的原因如下：接近物理真實(shí)情況；在萬花筒有限的空間內(nèi)，光線跟蹤計算也比較簡單。二維簡化圖示意如下：
?
-
模擬鏡子的非理想表面
現(xiàn)實(shí)世界的鏡子不是完美的，模擬的時候可以把這些“缺陷”也考慮進(jìn)去。我想到兩點(diǎn)：
一個是反照率(albedo)，我們需要在每一次反射的時候，乘以一個小于1的系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。它產(chǎn)生的效果就是中間圖像最亮，越往外圖像越暗。
另外一個是漫反射，非理想鏡子表面也存在漫反射。經(jīng)過多次反射后，產(chǎn)生的效果是圖像的模糊；反射次數(shù)越多，圖像模糊度越大。ray trace的時候產(chǎn)生漫反射的光線可以解決這個問題，但是會使計算量按幾何級數(shù)增加，這個計算量目前是無法負(fù)擔(dān)的。最簡單的模擬辦法是通過mipmap來模擬，反射次數(shù)越多的地方采用尺寸越小的mipmap slice，當(dāng)然這個方法并不精確，和實(shí)際效果是有偏差的。
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在現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上的擴(kuò)展
除了模擬現(xiàn)實(shí)，我們可以在我們創(chuàng)造的虛擬世界中加入現(xiàn)實(shí)中不存在的元素，或做各種奇怪的實(shí)驗(yàn)。
比如，鏡子的面數(shù)可以改變，鏡子之間的夾角可以隨意改變。
比如，鏡子可以有傾斜度（即和底面的夾角并非直角），圖2就是一個實(shí)例。
比如，底面（即原始圖平面）本身也可以傾斜。
比如，鏡子反射光線的時候，可以使用抖動技術(shù)；這樣反射次數(shù)多的地方，會產(chǎn)生溶解的效果。
確定方案
使用D3D在Pixel Shader中做ray trace的核心計算，充分利用GPU的并行計算能力；
在單獨(dú)窗口中設(shè)置參數(shù)，不占用主界面的顯示空間。
此版本結(jié)果展示
截圖
下載地址
http://files.cnblogs.com/mchz/Kaleidescope_v1.0.0.1.rar
運(yùn)行環(huán)境要求
WinXP SP2 or Higher
DirectX11 Runtime & DirectX10 Supported Video Card
VS2012 Runtime(http://files.cnblogs.com/mchz/vcredist_x86.rar)
功能詳述
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|V1.0.0.1|
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第一個版本。本應(yīng)用的目的是模擬萬花筒。核心功能通過D3D在GPU上實(shí)現(xiàn)。
此版本實(shí)現(xiàn)的功能有：
支持三面鏡子，且三面鏡子組成一個柱體或臺體，剖面是正三角形（這也是現(xiàn)實(shí)中絕大多數(shù)萬花筒的實(shí)現(xiàn)方式）。
可調(diào)節(jié)的參數(shù)是：
-設(shè)置底圖: 底圖指的是萬花筒底部的實(shí)際物體（比如多彩碎屑），我們用圖片文件模擬，支持拖拽圖片到窗口;
-支持底圖縮放;
-支持底圖平移;
-萬花筒長度調(diào)節(jié): 長度越長，底面離眼睛越遠(yuǎn)，鏡子越長;
-萬花筒旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié);
-可視圓半徑: 指的是圓形Mask的半徑。半徑越小，在GPU上執(zhí)行速度越快;
-可調(diào)節(jié)鏡子傾斜度: 這樣三面鏡子可組成臺體（頂部和底部剖面大小不同）而不是一般的柱體。
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轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/mchz/p/3356999.html
總結(jié)
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