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真实感大规模草地实时渲染技术

赵晶  
【摘要】:草场是自然界中最为常见的场景,而草体仿真模拟也成为模拟自然场景中较为重要的组成部分,草场的动态模拟效果直接影响到自然场景的逼真度,这也逐渐引起越来越多的人对该领域的研究和探索,除了其具有很高的研究价值,它还具有较高的理论意义和现实意义,它不仅可以较好的完成自然景观的再现,在建筑业、虚拟场景建立、园林设计等领域都发挥有其独特的作用,而且还可以应用到影视、动画、游戏等行业,可以使相应的作品有较好的视觉感官,该领域是随着信息技术进步而迅猛发展起来的新兴领域,日渐己成为计算机领域的研究热点之一。 本文通过对真实感大规模草地实时渲染技术的学习和研究,简单介绍了可编程GPU技术、风场技术、阴影绘制技术、高效率渲染技术优化手段和真实感渲染技术等相关理论知识及实现。 图形处理单元(Graphic Processing Unit,简称GPU),是专门的图形的核心处理器。CPU称为计算机的“大脑”,GPU则被誉为显示卡的“心脏”,它决定了显示卡的档次和绝大多数的性能,也是2D显示卡与3D显示卡的区别所在。但是,如今GPU已经不再局限于3D图像处理,GPU的通用计算技术的发展已经越来越引起业界的关注,而事实也在逐渐的并有力的证明,并行计算、浮点运算等方面的计算能力,GPU已经可以数十乃至数百倍的远超CPU的性能。通过更有效的方法利用GPU的运算力合编程力,将大量的计算从CPU中分离出来,通过此方法可完成高效、逼真的大规模草场实时渲染。 风场作用下的草地场景的实时渲染现在已经逐渐成为了计算机图形学的-个重要的研究课题和探索方向,其主要解决的问题与处理树木动态效果有异曲同工之效,大致分为以下四个方面:草体建模、真实感加强、动态场景建立、高效率优化。 大规模的草场实时渲染涉及的植被数量庞大,高效的渲染这些数量庞大的植被对实时绘制大规模复杂真实感场景具有重要的意义,目前已经有一些提高植被渲染效率的技术,主要是通过减少渲染批次的方法和LOD (Level of Details)技术来实现。减少渲染批次以及LOD (Level of Details)技术使得植被的渲染效率得到较大幅度的提高,因为从一般意义上讲,复杂的场景带来的需要渲染的物体也就越多,渲染的批次也就越多,故而减少渲染批次也就成为了提高渲染效率的一大重要因素;而LOD技术能够保证较好的渲染效率是因为如果可视区域的半径很大的话,直接影响就是庞大的植被的数量,自然会影响效率,然而可视区域半径较小的话,植被的真实效果会受到影响,LOD技术就是这样的一种在可视区域半径较大的情况下,能够保证既有效率又有效果的方法。 真实感植被渲染技术,主要研究风场作用下的植被运动效果表达以及植被阴影技术的运用,以实现在自然界中植被受到自然作用时的效果,从整体感官上提高场景的真实感。 本文的具体工作如下: (1)本文使用可编程GPU技术,利用GPU的可编程图形流水线功能,同时考虑到GPU流数据处理模型的性能,将一些计算从CPU移到GPU上,使得GPU承担一部分CPU的计算工作,提高了渲染效率。 (2)本文还提到了一种新方法进行实时模拟真实感草场,即是采用L系统和基于纹理图像的方法综合使用的手段来创建近距离草体,对于中距离草体采用采用布告板的方法来处理,采用2D水平纹理来模拟远距离草体的建模方法,使得草体的建模更有效率,也更具真实感。 (3)在风场的作用下,草体形变的过程,本文主要考虑两个方面,一是,当有风力作用在草场上的时候,草体的形变计算;二是,当风力消失时候,草体的震荡回复效果的诠释。 (4)为达到有较高的真实感,本文介绍了当下比较流行的阴影绘制技术,以及本文采用的Shadow Mapping的方法,用它可以生成各种外形可绘制物体的阴影,而不需要确定其轮廓边,也不需要进行裁剪。Shadow Mapping算法是一种基于图像空间的方法,其有较好的通用性和高效性,但是该算法由于需要进行点采样生成纹理每个纹理单元有可能投影到多个屏幕像素上,而不是单一的屏幕像素,故而很容易引起阴影的走样,为了解决这个问题,本文还提出来相关的改进算法。 (5)为了进行高效率渲染,本文还介绍了相关的优化技术,笔者采用的是较少渲染次数和LOD技术,这两种技术都能够较好的满足高效率渲染的需要:另外本文还介绍了公告板、交叉板及其他的优化技术。


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