群体动画实时渲染技术的研究

论文摘要

近年来,群体动画技术在多个领域中得到了广泛的应用。但是,以当前的计算机硬件绘制能力来说,如果采用直接绘制的方法,则很难实现数量庞大的群体动画的实时渲染。因此,人们更加重视群体动画实时渲染技术的研究,使得这一领域成为极富挑战性的研究课题。本文研究群体动画实时渲染技术,重点提高群体渲染的速率。本文对基于CPU的矩阵调色板蒙皮技术(Skinning)、混合层次细节(Level Of Detail,LOD)和替代物(Impostors)的群体动画渲染技术以及基于GPU的实例化(Instancing)群体动画渲染技术进行了比较深入的研究。群体动画的渲染实际上是由单个动画角色的渲染组成的。对于单个动画角色的渲染,在应用程序是GPU受限时,将优化工作交给CPU,会取得非常不错的优化效果。本文使用Intel处理器上的流式SIMD扩展(SSE),在CPU上对群体动画中常用的矩阵调色板蒙皮动画技术进行了优化。实验表明,使用基于CPU的群体动画渲染技术,在角色顶点受多个骨骼权重影响时,具有非常好的性能提升。同时,本文还研究了一种通用的针对复杂网格模型的优化方法。三维复杂场景实时渲染技术的研究课题很多,但是大多都是局限于静态场景对象。针对群体动画实时渲染,本文结合了LOD和基于图像渲染的Impostors技术,根据虚拟角色在最后屏幕中的细节信息来选择恰当的角色表示,平衡了基于图像的渲染方法在渲染质量上的不足和几何渲染方法在效率上的缺陷,有效地提升了群体动画的渲染效率。实验结果表明,该方法可以用较小的渲染代价获得较高的渲染质量,满足实时渲染的要求。图形硬件加速器的不断发展给实时群体动画的广泛应用带来了新的机会。本文针对群体动画渲染中,大多数动画角色的模型完全相同的特点,从减少绘制调用与状态改变的次数,降低对内存存储的需求着手,提出了基于GPU中实例化技术的群体动画实时渲染算法。实验表明,当使用实例化技术渲染这类群体动画时,随着角色数量的不断增加,渲染性能将明显得到提高,平均帧率比逐个角色单独渲染时高出40%以上。最后本文对当前群体动画的发展方向进行了一些展望,并提出了一些在该领域值得进一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景
• 1.3 研究目的和应用前景
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 裁剪算法
• 1.4.2 几何细节层次技术
• 1.4.3 基于图像的替代物技术（Impostors）
• 1.4.4 基于点的渲染技术（Point-Based Rendering Techniques）
• 1.5 论文的主要工作与创新点
• 1.6 论文的章节安排
• 第二章 群体运动模拟介绍
• 2.1 群体运动模拟的起源与研究领域
• 2.2 群体模拟的需求和限制
• 2.3 群体模拟的相关问题
• 2.4 群体运动中的路径规划与碰撞检测
• 2.4.1 碰撞检测
• 2.4.2 路径规划
• 2.5 群体行为建模
• 2.5.1 基本群体行为建模
• 2.5.2 虚拟人群行为建模
• 2.6 群体环境建模
• 2.7 本章小结
• 第三章 实时绘制技术和加速技术介绍
• 3.1 可见性剔除（Visibility Culling）
• 3.1.1 视锥体裁剪和背面裁剪
• 3.1.2 闭塞裁剪算法（Occlusion culling Algorithms）
• 3.2 基于几何模型的实时绘制和加速技术
• 3.2.1 三角形和四边形带状简化
• 3.2.2 多分辨率层次细节LOD简化技术
• 3.3 基于图像的实时绘制和加速技术
• 3.3.1 表面纹理映射技术
• 3.3.2 Billboards（布告板技术）
• 3.3.3 Impostors（替代物技术）
• 3.3.4 层次图像缓存技术
• 3.4 基于可编程图形硬件的加速技术
• 3.4.1 GPU上的通用计算
• 3.4.2 表面细分的GPU加速
• 3.4.3 LOD的GPU加速
• 3.5 本章小结
• 第四章 群体动画渲染系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 群体动画引擎架构
• 4.3 群体动画渲染系统设计
• 4.3.1 设计目标
• 4.3.2 静态结构
• 4.3.3 虚拟角色的表示
• 4.3.4 群体渲染方法
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于CPU的矩阵调色板蒙皮技术优化研究
• 5.1 引言
• 5.2 渲染瓶颈
• 5.3 矩阵调色板蒙皮动画介绍
• 5.3.1 定义
• 5.3.2 Skinning算法介绍
• 5.4 CPU优化的意义
• 5.5 流式SIMD扩展即SSE介绍
• 5.6 针对复杂网格的一种通用优化方法
• 5.7 基于SSE的矩阵调色板Skinning优化
• 5.8 实验结果分析
• 5.9 进一步研究方向
• 第六章 基于LOD和Impostors的群体动画实时渲染算法研究
• 6.1 相关工作
• 6.2 算法基本思想
• 6.3 算法
• 6.3.1 算法流程
• 6.3.2 层次细节选择策略
• 6.4 角色模型的LOD和Impostors表示
• 6.4.1 角色模型的多层次细节即多分辨率表示
• 6.4.2 角色模型的Impostors表示
• 6.5 替代物更新策略
• 6.5.1 骨骼关键点测试
• 6.5.2 摄像机角度测试
• 6.6 实验结果分析
• 6.7 进一步的研究方向
• 6.8 本章小结
• 第七章 基于Instancing技术的群体动画实时渲染算法研究
• 7.1 引言
• 7.2 Instancing介绍
• 7.2.1 Instancing的基本原理
• 7.2.2 Instancing的技术细节
• 7.3 算法的实现细节
• 7.3.1 基本顶点数据结构
• 7.3.2 动画纹理
• 7.3.3 创建角色批次
• 7.3.4 静态结构图
• 7.4 实验结果分析
• 7.5 进一步的研究方向
• 7.6 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 本文总结
• 8.2 未来研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历及硕士期间发表的论文