污水是一种广泛存在的水体,逼真地展现污水可以给用户带来更真实、奇幻的视觉体验。污水含有丰富的污染物质,使其表现出浑浊状态,还会因为污染物质种类和浓度的不同,呈现不同的颜色。面向污染水质的真实感渲染,主要研究水体因含有污染物质而造成的水体颜色变化,展现水体在被污染过程中,污染物质在水中的运动扩散,其司以被应用在影视制作、水下成像、科学数据可视化、灾害模拟等领域。　　 本文以环境科学中的水质数据(污染物质的浓度数据)为基础,提出面向污染水质的真实感渲染方案,重点研究污水光学参数的估计及污染水体的渲染算法,得到水体因含有丰富污染物质而导致的水体颜色变化,最终得到污水的显示效果。所取得的创新性研究成果可归纳如下:　　 (1)提出了污水的光学参数估计模型　　 污水含有众多的污染物质,它们会影响光在水中的传播,改变水体的光学特性,使污染水体的外观区别于一般水体,所以获取污染水体的光学参数是面向污染水质的真实感渲染需要解决的首要问题。然而至今为止,计算机图形学领域尚没有适用于估计污染水体光学参数的方法。本文以水文学和水色遥感领域的知识为基础,建立了污水的光学参数估计模型,首先分析污水的成分,确定了污水中哪些物质会对光传播产生影响,建立了污水的生物一光学模型,然后分析这些物质的光学参数与污染物质浓度之间的关系,进而可以通过水质数据获得污水的光学参数。该模型可以根据污染物的种类和浓度,估计出任意污染程度的水体的光学参数。　　 (2)提出了混合相函数的重要性采样方法　　 本文选用体光子映射算法渲染污染水体,体光子映射算法分成两步:光子跟踪和辐射估计。在光子跟踪过程中,光子从光源处发出,然后与介质交互,其交互过程被记录在光子图中;辐射估计根据已生成的光子图,计算得到体散射光强。　　 体光子映射算法的第一步——光子跟踪过程需要对介质的相函数(描述光经介质散射以后的散射光强在各方向上分布情况的函数)进行重要性采样,确定光子的散射方向。污水中存在多种物质对光的散射,每种物质对光的散射规律不一,水体某点的相函数等于这些物质各自相函数的混合,表达式复杂,难以使用现有的重要性采样方法对污水的相函数进行重要性采样。为此,本文以俄罗斯赌盘算法为基础,提出了混合相函数的重要性采样方法,理论证明该方法可以取得无偏的计算结果。　　 (3)提出了三维变权重的辐射估计算法　　 体光子映射算法的第二步——辐射估计的主要思想是利用某点周围的光子信息,估计得到该点的散射光强。传统的辐射估计算法假设周围每个光子对估计点的光强贡献相同,在计算散射光强时,每个光子在计算式中的权重也均一样,这种方法会引起过模糊的问题。本文根据核密度估计的思想,提出三维变权重的辐射估计算法,依据光子与估计点之间的距离,改变光子在计算中的权重,该方法解决了原辐射估计算法的过模糊问题,可以计算出更多的污水扩散细节,给污水扩散提供了一种细节化的展示方式。