3D场景中大规模群体角色实时渲染技术的研究与实现

论文摘要

I近年来,群体动画作已被广泛地应用在多个领域,包括数字娱乐、训练系统、城市规划和人工智能研究等各个方面,因此作为群体动画重要组成部分的群体实时渲染也成为众多专家学者研究的对象。目前,大家研究的重点主要集中在两个大的方面:一方面是对群体角色规模的追求,另一方面又要寻求群体角色外观的真实性。但是,群体的数量和真实感却是相互矛盾的两个方面,因为如果硬件性能水平和群体渲染技术暂时无法改进的话,提高角色渲染的真实感就必然会增加运算量,从而减少能够渲染的角色个数,反之,如果增加群体角色个数,则只有降低单个角色外观的真实性。于是,要保证实时要求的基础上,同时增加群体角色数量和提升视觉外观真实感的问题,已经成为极富挑战性的研究。为了增加群体角色的数量,可以采用多种大规模群体加速技术,如几何模型简化、剔除算法和实例化技术等。本论文在对传统的几何建模技术和模型简化方法研究的基础上提出了一种多分辨率角色几何建模技术。该技术采用多层次LOD思想,将整个场景的所有虚拟角色按距离远近分为三个粗略的LOD等级,分别使用替代物、点模型和多边形网格模型,然后将多边形网格分为三个细LOD,形成一个近似连续性的LOD建模。另外,本文还提出了一个基于DirectX 10几何着色器的对点模型进行预处理和渲染的技术,该技术利用几何着色器在一定程度上提高了点模型的渲染效率。在群体外观的真实感研究方面,主要体现在角色外观的多样性和光照计算。对于大规模群体角色来说,如果所有的虚拟角色外观都是一模一样,那么无论渲染再多数量都是给人简单复制品的感觉,毫无真实感可言。故本文对群体角色外观的多样性,分别从角色的建模、体型和纹理外观方面进行讨论,提出了一种掩码网格技术,它可以根据少数几个网格模板生成较多的外观各异的角色。在改变角色体型方面,本文还提出了一种基于程序逻辑的骨骼变形技术,该方法可以在程序运行时动态改变骨骼蒙皮动画模型中的骨骼变换矩阵,从而通过控制矩阵来改变角色的外观。本文还实现了一种群体动画渲染系统来验证上述理论,实验中可以实时绘制上万个高质量的群体虚拟角色,并且该渲染系统已在交通模拟、剧场火灾模拟等多个应用中采用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景和研究意义
• 1.3 研究的现状
• 1.4 本文的工作及创新
• 1.5 本文的篇章结构
• 第二章 群体角色几何建模
• 2.1 基于点的角色建模
• 2.1.1 点数据的获取
• 2.1.2 点模型的处理
• 2.1.3 点模型的重建和表示
• 2.2 基于2D 图像的角色建模
• 2.2.1 基于单张图像的重建
• 2.2.2 基于立体视觉的重建
• 2.2.3 基于侧影轮廓线的重建
• 2.2.4 基于深度图像的重建
• 2.3 基于多边形的角色建模
• 2.3.1 数据结构
• 2.3.2 创建多边形对象
• 2.3.3 多边形网格的经济性
• 2.4 群体外观的多样性研究
• 2.4.1 角色建模和动画
• 2.4.2 角色体型
• 2.4.3 纹理外观
• 2.5 本章小结
• 第三章 群体角色动画建模
• 3.1 纹理动画技术
• 3.2 渐变动画建模
• 3.3 关节动画建模
• 3.3.1 层次结构
• 3.3.2 网格依附
• 3.3.3 位置计算
• 3.3.4 特点
• 3.4 骨骼蒙皮动画建模
• 3.5 动画的驱动控制
• 3.5.1 运动学技术
• 3.5.2 动力学技术
• 3.5.3 运动捕捉技术
• 3.6 本章小结
• 第四章 群体实时渲染和加速技术
• 4.1 可见性剔除算法
• 4.1.1 视锥和背面剔除
• 4.1.2 层次视锥剔除
• 4.1.3 遮挡剔除
• 4.2 LOD 技术
• 4.2.1 创建
• 4.2.2 层次选择
• 4.2.3 切换
• 4.3 基于图像渲染的替代物技术
• 4.3.1 预处理
• 4.3.2 切换
• 4.3.3 绘制
• 4.4 基于点的渲染技术
• 4.5 基于GPU 的蒙皮实例化技术
• 4.5.1 实例化技术简介
• 4.5.2 蒙皮实例化实现
• 4.6 光照和着色技术
• 4.6.1 光照相关基本理论
• 4.6.2 虚拟角色的光照计算
• 4.7 实验结果
• 4.8 本章小结
• 第五章 群体渲染系统的设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 群体渲染系统框架
• 5.3 群体渲染系统功能设计
• 5.3.1 群体环境渲染模块
• 5.3.2 虚拟群体角色渲染模块
• 5.3.3 障碍物渲染模块
• 5.3.4 资源管理模块
• 5.4 渲染系统接口设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 群体渲染的管线优化
• 6.1 系统瓶颈的定位
• 6.2 系统性能优化方法
• 6.2.1 应用程序阶段
• 6.2.2 几何操作阶段
• 6.2.3 像素操作阶段
• 6.3 性能工具概览
• 6.3.1 PIX
• 6.3.2 NVPerfHUD
• 6.3.3 GPUPerfStudio
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的科研成果和获奖情况