基于嵌入式系统的3D图形渲染器的设计及关键技术实现

论文摘要

手机、PDA等移动终端的快速发展使得嵌入式系统的复杂度越来越高,对于图形显示方面的要求也在逐步增加,特别是娱乐消费行业。基于嵌入式系统的视频编解码、高速网络以及实时3D渲染正在成为近几年来的研究热点。本文以达芬奇开发板DVEVM为基础,设计了一个基本的3D渲染器,并实现了各个关键算法。能够完成模型加载、坐标变换、消隐、光照、纹理映射、裁剪、深度排序等基本流水线处理技术。一些高级渲染技术以及地形生成方面的内容还有待扩展。另外,出于可移植性考虑,本文涉及的三维渲染器并没有向下直接访问硬件设备,而是以接口的形式调用下层驱动封装库。由于一般情况下嵌入式系统的分辨率不高,因此对画质的追求不能与计算机相比。另外,其处理器频率也一定程度上限制了所采用算法的复杂度。因此,为了提高处理速度,本文在算法上尽量采取简单而计算量较小的方法,虽然画面质量稍有降低,但是速度得以提高。另外,嵌入式系统对C++语言的支持还不够完善,所以本文所有代码都使用C语言编写。本文所讨论各部分算法均给出了C语言实现,由于整个系统并未完全实现,因此算法的正确性和效果演示在计算机上进行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 嵌入式系统的现状和发展
• 1.1.2 嵌入式3D 渲染器
• 1.2 达芬奇系统
• 1.2.1 系统简介
• 1.2.2 3D 渲染器在系统中的结构
• 1.3 本人的工作内容
• 1.4 章节安排
• 第二章 3D 图形引擎的架构及处理流程设计
• 2.1 嵌入式系统的特点及渲染器设计需求
• 2.2 数学支持
• 2.2.1 坐标系
• 2.2.2 矩阵变换
• 2.2.3 三角函数
• 2.2.4 数学引擎
• 2.3 3D 管线设计
• 2.3.1 流水线说明
• 2.3.2 相关算法选择
• 2.4 总体结构框图
• 2.5 数据结构设计
• 2.5.1 顶点
• 2.5.2 多边形
• 2.5.3 物体
• 2.5.4 渲染列表
• 2.5.5 相机
• 第三章 关键技术的实现
• 3.1 模型文件格式和加载
• 3.1.1 文件格式
• 3.1.2 加载函数
• 3.2 物体剔除和背面消除
• 3.2.1 物体剔除
• 3.2.2 背面消除
• 3.2.3 算法设计难点
• 3.3 光照和着色
• 3.3.1 着色
• 3.3.2 基本光照模型
• 3.3.3 光源类型
• 3.3.4 光源结构
• 3.3.5 光照计算
• 3.3.6 算法设计难点和速度测试
• 3.4 深度排序
• 3.4.1 画家算法
• 3.4.2 1/Z 缓存
• 3.4.3 算法的选择和对比
• 3.5 纹理映射
• 3.5.1 概述
• 3.5.2 透视修正纹理映射
• 3.5.3 算法改进及结果比较
• 3.5.4 算法流程
• 3.6 裁剪
• 3.6.1 3D 裁剪
• 3.6.2 2D 裁剪
• 3.7 光栅化
• 3.7.1 概述
• 3.7.2 函数原型
• 3.7.3 函数流程
• 第四章 各阶段算法测试
• 1. 加载物体框架
• 2. 背面消除
• 3. 光照和着色
• 4. 纹理
• 5. 裁剪和深度排序
• 第五章 工作总结
• 5.1 本文完成的工作
• 5.2 进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在读期间的研究成果