游戏引擎中非真实感渲染的研究与实现

论文摘要

非真实感渲染以其独特的视觉效果和广泛的应用前景为基础,成为计算机图形学的研究热点之一。与真实感渲染相比,非真实感渲染追求的目标是模拟艺术作品的艺术效果,或对客观世界的主观描述与表达。非真实感渲染已经发展成为一个独立的分支,针对二维和三维的输入都有卓越的表现,拥有诸如轮廓线绘制、非真实感光照、非真实感纹理等独有的技术方法。非真实感渲染吸收了真实感渲染所取得的大量研究成果,其渲染方法从简单的依靠CPU进行处理发展到今天广泛借助图形渲染流水线进行处理。如今,非真实感渲染涉及的范围不再局限于辅助绘制艺术作品,还涉及到电影、卡通动画等娱乐行业,在教育领域也有很多应用前景。特别是游戏制作中,得到了越来越广泛的应用。如何在游戏引擎中实现无需用户干预的非真实感渲染,成为本文将要解决的问题。目前在游戏引擎中,特殊效果渲染需要单独编写程序实现。本文的研究目的是将非真实感渲染模块作为游戏引擎中特效渲染模块的子模块之一,以插件形式接入引擎主模块。水彩风格因其复杂的艺术特征,一直是非真实感渲染的一个难点。本文选择水彩风格为目标,实现了一种水彩风格的非真实感渲染。作者通过研究当前非真实感渲染领域多种渲染效果的实现手法,借鉴了其中效果好并且效率高的部分,改进了当前已有的渲染流程中不足的部分。根据作者本人对水彩效果的分析理解,建立了一个基于经验的模型。实现了由输入三维模型,经历轮廓线查找、卡通风格渲染、Phong光照模型真实感渲染、图像混合、颜色修改、边缘暗色化处理以及纸张纹理凹凸映射等多个步骤,最终得到水彩风格图像的非真实感渲染流水线。本文的实现过程无需用户干预,采用了基于可编程图形硬件的方法,充分利用了可编程图形硬件的计算能力,速度较快,渲染效果较好,可以较好的运用于游戏引擎当中,为游戏引擎的特效模块提供了一种全新的特效模式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 非真实感渲染在游戏引擎中的应用
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文工作
• 1.5 论文组织
• 第二章 非真实感渲染技术
• 2.1 非真实感渲染的特点
• 2.1.1 图像与模型瑕疵
• 2.1.2 非真实的环境设置
• 2.1.3 非真实感渲染和真实感渲染的区别
• 2.2 非真实感渲染技术的分类
• 2.2.1 根据渲染风格分类
• 2.2.1.1 线描与点描风格渲染
• 2.2.1.2 卡通风格渲染
• 2.2.1.3 中国画风格渲染
• 2.2.1.4 水彩风格渲染
• 2.2.2 根据输入数据分类
• 2.2.2.1 基于图像空间的非真实感渲染
• 2.2.2.2 基于物体空间的非真实感渲染
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统总体设计
• 3.1 游戏引擎架构
• 3.1.1 系统架构
• 3.1.2 系统功能介绍
• 3.1.2.1 分层框架
• 3.1.2.2 渲染核心组件DMFCore
• 3.2 非真实感渲染模块
• 3.3 本章小结
• 第四章 非真实感渲染关键技术研究
• 4.1 轮廓线检测
• 4.1.1 轮廓线的定义
• 4.1.2 基于图像空间的轮廓线检测
• 4.1.3 基于物体空间的轮廓线检测
• 4.1.3.1 直接检测算法
• 4.1.3.2 随机检测算法
• 4.2 风格化轮廓线绘制
• 4.3 多重渲染技术
• 4.4 非真实感光照与非真实感纹理
• 4.4.1 非真实感光照
• 4.4.2 非真实纹理
• 4.5 本章小结
• 第五章 搭建基于可编程图形硬件加速的非真实感渲染平台
• 5.1 图形渲染流水线的利用
• 5.1.1 固定功能的图形流水线
• 5.1.2 可编程图形流水线
• 5.2 基于可编程图形硬件的高级着色语言环境
• 5.2.1 软件支持
• 5.2.2 高级着色语言
• 5.3 基于可编程图形硬件开发非真实感渲染的优点
• 5.3.1 可编程图形硬件的灵活性
• 5.3.2 提高了非真实感渲染的速度
• 5.4 非真实感渲染的工作平台
• 5.5 本章小结
• 第六章 水彩风格渲染模块实现
• 6.1 物理模拟与视觉特征分析
• 6.1.1 物理过程模拟
• 6.1.2 水彩风格视觉特征
• 6.2 水彩风格渲染实现方法
• 6.3 物体空间实时水彩风格渲染
• 6.3.1 轮廓线绘制
• 6.3.2 卡通渲染的实现
• 6.3.3 水彩风格渲染的实现
• 6.3.4 纸张纹理的引入
• 6.4 水彩非真实感渲染流水线
• 6.5 渲染结果分析
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果