随着影视产业的发展和理论研究的深入,图形渲染过程中所需处理的场景和材质愈发复杂,对于类似模拟光线散射的各种真实感渲染效果的需求也引起人们广泛关注。其中,关于存在着较多复杂物理现象的参与性介质(如玉石、牛奶、皮肤等材质)的单次散射的绘制便是目前产业界和学术界迫切需要研究解决的问题之一。参与性介质的单次散射模拟中,除相位函数对其散射分布的影响之外,内部折射光线也容易产生难以拟合的局部高频区域,甚至焦散现象。另外,虽然硬件水平已经有了较大的提升,但材质计算的复杂性导致有限的算法效率也是目前此类算法需要解决的一个问题。目前已有一些用于解决此类问题的算法,例如基于点缓存的参与性介质绘制方法被提出。该方法在预处理阶段在介质边界和内部生成采样点,并收集采样信息形成点云到空间层次结构中;在渲染阶段,由摄像机光线生成介质内部着色点,分别计算单次散射、二次散射和多次散射情况下各采样点对着色点的能量贡献和辐射度。该方法在速度上具有良好的收敛性,并且可以得到没有噪声的图像,但其在处理局部高频事件上仍有较大不足。这是因为采样点无法构建符合光线传播频率的能量分布,为了平衡能量缺失,算法以提高采样点的数量为代价,造成了内存开销上的冗余和额外的计算量。为了解决参与性介质单次散射情况下的局部频率问题,本文将全局光照下的频率域分析技术引入到了参与性介质的绘制流程中,提出基于频率域分析的参与性介质绘制方法。该方法大致如下:在预处理阶段,为光线构造4D空间和方向分布的局部光照场,并通过傅里叶变换将时间域信息变换为频率域的频谱信息,以获取光照场在一系列光照操作如直线传输、遮挡、重参数化、反射折射等传输过程中的微观变化规律。本文给出了这些线性转换的以协方差矩阵进行参数化的计算公式和近似方法。由此在每个采样点处使用频谱方差表示频率因子的数值。在渲染阶段,利用采样点的频率参数构建函数映射模型来动态调整其能量分布和密度,这使着色点可以有效区分不同频率大小的采样点并得到出射辐射度。该算法能够有效地对光线传输过程的频率域信息进行追踪分析,且额外矩阵计算的开销可忽略不计。本文提出的算法通过多组场景测试和多个算法的对比实验,算法效率方面具有明显的优势:在总渲染速度上提高了2倍及以上的基础上,内存占用成本是其它算法的20%,而效率的提升主要体现在两方面:预计算阶段使用频率域分析可以减少体内采样点的数量而不会降低质量,从而带来加速;渲染阶段较少数量的采样点使空间层次结构的遍历更高效。本文也通过调整采样数量验证了算法的稳定性。基于理论证明和各项实验数据分析,本文方法可以实现更加快速的收敛和更具真实感的效果。本文对基于点缓存的参与性介质绘制方法进行改进和扩展,对参与性介质这种复杂物理性材质运用频率域分析技术提出了高效绘制方法,且信号处理与真实感渲染的结合对基于物理的渲染理论研究有较大的帮助。