游戏引擎中特效的实时渲染技术研究

论文摘要

随着中国数字娱乐产业的发展,中国网络游戏也保持着强劲的增长势头,网络游戏的兴盛,是数字娱乐文化发展的一个必然环节,因此3D游戏引擎技术成为计算机图形学研究的热点问题。游戏及虚拟现实等模拟系统都具有感知性、沉浸性、真实性等重要特征,随着计算机硬件水平的不断提高,游戏场景的真实性成为衡量系统性能的一个重要标准。电子科技大学数字媒体研究所研究的“网络游戏公共技术平台关键技术研究”和“支持数字媒体内容创作的集成环境”两个国家863项目,就是对数字媒体技术和游戏引擎技术的一种尝试。结合以上项目,本文研究了在游戏引擎中真实感特效方面的一些关键问题:高动态范围、景深模拟及运动模糊,并在已有的引擎基础上开发了三个特效插件。本文对课题的研究主要集中在以下三个方面。高动态范围技术,是逐渐开始流行的实时绘制技术中的一个热门研究领域,其技术出发点就是让计算机能够显示更接近于现实照片的画面质量。本文从光照模型着手,在GPU上实现了对Phong模型的扩展;接着探讨了高动态范围技术,详细介绍了高动态范围的绘制技术和实现流程,在我们的游戏引擎中以插件形式实现了基于GPU的高动态范围光照系统,增强了视觉真实感。景深是人眼视觉系统中成像的重要特征。本文从光照效果的成像机制,对透镜成像模型与针孔成像模型进行研究,在此基础上提出一种在计算机三维场景成像中实时地模拟出景深效果的算法。算法利用了MRT(Multiple Render Targets)技术及GPU的可编程性,对清晰图像和模糊图像进行融合,实现了实时景深模拟,增强了用户的沉浸感。运动模糊是虚拟环境和3D用户界面真实感的表现之一。本文继续研究光照效果的成像机制,在计算机上模拟真实相机对运动物体的拍摄产生的运动模糊效果。为了提高执行效率,我们将计算转移到了GPU,实现了对运动模糊的实时模拟,并以一个匀速直线运动物体为例,展示了运动模糊系统的模拟效果。在本文的最后,我们将运动模糊与高动态范围光照系统和景深模拟结合,综合展示了三个特效插件的集成运行效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 本文工作
• 1.4 论文的章节安排
• 第二章 背景知识介绍
• 2.1 三维编程接口及基础图形引擎介绍
• 2.2 图形处理器介绍
• 2.2.1 图形流水线——从固定管线到可编程管线
• 2.2.2 Shader语言
• 2.3 光照模型介绍
• 2.4 景深及运动模糊介绍
• 2.5 高动态范围介绍
• 2.5.1 高动态范围的概念
• 2.5.2 高动态范围图像
• 2.5.3 高动态范围技术与游戏
• 2.6 本章小结
• 第三章 游戏引擎架构
• 3.1 游戏引擎设计与架构
• 3.2 本课题在引擎中的位置
• 3.3 模块的实现类图
• 3.4 本章小结
• 第四章 高动态范围光照系统的设计与实现
• 4.1 色阶映射算法的相关研究
• 4.2 高动态范围光照系统的设计
• 4.2.1 数据结构
• 4.2.2 光照模型的设计
• 4.2.3 光照模块的GPU实现
• 4.2.4 高动态范围的绘制流程
• 4.3 高动态范围在游戏引擎中的实现
• 4.3.1 将场景渲染至高精度缓存
• w）|-）'>4.3.2 计算平均亮度（（L_w）|-）
• 4.3.3 亮度过滤及辉光处理
• 4.3.4 曝光控制
• 4.3.5 色阶重建计算
• 4.4 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 景深模拟系统
• 5.1 景深数学模型的建立
• 5.2 相关的研究现状
• 5.3 景深模拟系统的设计
• 5.3.1 设计目标
• 5.3.2 绘制流程
• 5.3.3 数据结构
• 5.4 景深模拟在引擎中的实现
• 5.4.1 利用顶点编程以及像素编程获得深度信息和模糊信息
• 5.4.2 图像预模糊
• 5.4.3 模拟模糊圈（CoC）、融合清晰和模糊的图像
• 5.4.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 运动模糊模拟系统
• 6.1 运动模糊的相关研究现状
• 6.2 运动模糊系统的设计
• 6.2.1 设计目标
• 6.2.2 绘制流程
• 6.2.3 数据结构
• 6.3 运动模糊在引擎中的实现
• 6.3.1 将场景渲染至纹理
• 6.3.2 利用顶点编程求得顶点的窗口坐标及速度
• 6.3.3 利用像素编程实现模糊
• 6.3.4 模拟效果及分析
• 6.4 基于高动态范围的景深及运动模糊的实现
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历及硕士期间发表的论文