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三维图形引擎大规模场景实时渲染技术研究与应用

孙正  
【摘要】: 在现代图形学中,各种技术都得到了突飞猛进的发展,但是由于三维场景的复杂性,3D图形引擎的设计和引擎中的场景植被渲染仍然是图形学中的难题。 由于3D图形引擎的特殊性,在整个图形开发行业,图形引擎的应用相当广泛。不论是在游戏开发,还是各种图形软件开发,现在都很少直接在底层图形API上进行开发,而是转向使用引擎。通过合理的使用图形引擎,能够极大的减少花在图形开发中的时间,而将大量的时间用于其它方面。同时图形引擎也极大的提高了图形学算法代码的可重用性,减少了开发者浪费的时间。那么如何设计一款集效率和真实性为一体的图形引擎,就是开发中所面临的问题。尤其是如何使引擎的设计尽可能的方便用户,代码健壮,效率提升,这些都是需要解决的问题。 而对于大规模场景的实时渲染,尤其是对于大规模植被渲染则是在图形学中的又一个重要问题。由于实际场景中的复杂性以及大量的三角面片数量,为进行实时渲染带来了极大的挑战。尤其是出于渲染真实性的考虑,还需要在场景渲染中注意模型建模,阴影光照等问题。 本论文则是主要针对以上两个方面的内容,以3D图形引擎和大规模场景实时渲染为主要研究方向,以设计Romans引擎和大批量树木渲染为研究基础,主要包括以下内容: 1.研究了当前图形学发展中,3D图形引擎的发展历程,分析了图形引擎发展的趋势。 2.详细介绍了目前图形引擎市场上常见的商业引擎和开源引擎,并且对开源引擎中比较出色的两款图形引擎做了详细的功能模块分析和架构分析,根据分析的结果总结了各自的优缺点,总结引擎开发中的经验和教训。 3.在研究了开源引擎的基础上,详细的设计了Romans图形引擎,并对图形中各个功能模块的实现做了研究。 4.研究了当前图形学界在应对大规模植被渲染时所采用的各种主流方法,包括消隐技术,层次细节化技术(LOD)以及基于图像的绘制技术(IBR)等。 5.详细研究了当前在大规模植被渲染中所面临的各种技术问题,包括树木的建模、批量渲染、光照阴影等。 6.在研究各类技术问题的基础上,提出和改进在解决此类问题的思路和算法,尤其是采用Impostor技术后的改进方案。 7.在研究和改进了各种算法的同时,提出如何解决大规模植被渲染的整体解决方案,整合出应用于3D图形绘制的算法系统。 在完成了相关工作后,本文总结了实验的结果,并对未来结合实际作了展望。


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