三维引擎在自然场景模拟中的研究与应用

论文摘要

三维图形技术是近年来发展迅速和受关注较多的技术之一,它是虚拟现实、实时仿真、数字娱乐等领域的基础。然而三维图形技术涉及到许多专业知识和算法,直接应用3D APT开发三维应用程序难度很大。三维引擎就是通过封装底层操作,给开发人员提供一个清晰的软件框架,提高三维应用程序开发效率。目前我国三维图形引擎技术还很薄弱,大部分都引进国外引擎,因此对它的研究变得十分有意义。一个完善的三维引擎都要包括对场景的模拟,场景的模拟可分为室内场景模拟和室外场景模拟,室外场景模拟主要是指自然场景的模拟,自然场景的模拟也是图形学中难点之一。本文通过一个三维引擎的具体实现,研究了三维引擎设计的一些关键技术,并将其应用到一个三维场景漫游程序的实例中,取得了较好的效果。研究成果主要表现在三个方面:1.结合软件工程模块化的思想,设计并实现了基于GPU渲染的图形引擎框架,引擎主要包括场景管理模块、资源管理模块、渲染管理模块、输入输出模块、数学方法库、GUI模块,可以较方便的开发3D应用程序。2.深入分析GPU渲染管道的原理,结合3D API的渲染机制,在管理渲染状态和渲染批次提交方面对引擎进行优化,提高了渲染效率。3.为三维引擎设计并实现了一些自然场景模拟常用的类库,主要包括地形生成、天空大气和云层模拟、水模拟、草地模拟,对其中一些模拟算法进行了改进。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 三维引擎及自然场景模拟研究概述
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.2.1 三维引擎技术的发展
• 1.2.2 自然场景模拟技术的发展
• 1.3 研究工作与内容安排
• 第二章 三维引擎总体设计
• 2.1 引擎架构
• 2.2 设计模式应用
• 2.3 引擎模块
• 2.3.1 资源管理
• 2.3.2 场景管理
• 2.3.3 输入/输出模块
• 2.3.4 GUI模块
• 第三章 三维引擎优化
• 3.1 GPU渲染管道
• 3.2 有效的性能评测
• 3.3 渲染批次
• 3.3.1 几何体实例化
• 3.3.2 几何体定义
• 3.3.3 实现方法比较
• 3.3.4 几何体实例化API
• 3.4 渲染状态与特效管理
• 3.5 渲染剔除与排序
• 3.5.1 Portal与BSP优化
• 3.5.2 四叉空间分割树
• 第四章 自然场景模拟技术
• 4.1 地形模拟
• 4.1.1 高度图过滤
• 4.1.2 高级纹理技术
• 4.2 环境贴图映射和天空模拟
• 4.2.1 天空体
• 4.2.2 大气散射
• 4.3 云层模拟
• 4.3.1 改进Perlin噪声生成纹理
• 4.3.2 云层纹理映射
• 4.3.3 虚拟平面映射
• 4.4 水模拟
• 4.4.1 Fresnel现象
• 4.4.2 渲染到纹理技术
• 4.4.3 水波纹模拟
• 4.5 草地模拟
• 4.5.1 草体模型构建
• 4.5.2 草体动画
• 4.5.3 反走样处理
• 4.5.4 优化渲染批次
• 第五章 三维自然场景模拟系统
• 5.1 系统展示功能
• 5.2 系统演示
• 5.2.1 主展示界面
• 5.2.2 场景导入选择
• 5.2.3 场景参数设定
• 5.2.4 角色导入
• 5.3 系统测试
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 读研期间科研成果
• 致谢