基于几何Clipmaps的超大规模地形高效渲染设计与实现

基于几何Clipmaps的超大规模地形高效渲染设计与实现

论文摘要

本文主要研究如何在三维实时系统中对大规模室外地形做高效渲染。在20世纪末,限于当时的硬件水平,对地形的优化主要依靠CPU计算。经典的ROAM、四叉树等算法使用递归划分或合并,试图用最合适的三角形数目对几何地形进行模拟。同一时期提出的TINs地形优化算法使用不规则三角形对地形做更精确的模拟,但由于存储结构复杂,CPU计算量大等缺点导致其不适合应用于实时系统。这些算法的共同点在于都使用大量CPU计算来减少送入管线的三角形总数。GPU处理三角形的能力日益强大,如果保持渲染状态不变,GPU可以进行每秒上亿次三角形绘制。GeomMipmapping是基于GPU进行地形加速渲染的经典方法之一,其主要管理对象是规则网格地形块。网格的顶点和索引数据都存储于显存,GPU可以快速读取它们以进行高效绘制。位于视域体外的地形块可以按照四叉树快速剔除,与视域体相交的地形块也可以根据摄像机位置选择合适的LOD。GeomMipmapping的主要性能瓶颈在于每帧对VB、IB的一次CPU更新。几何Clipmaps以视点为中心将不同分辨率网格嵌套在一起,LOD表现为离摄像机较近网格具有更高细节。我们在系统实现中对传统几何Clipmaps做出改进,创建了不改变的VB、IB并组织成能被GPU快速渲染的strip。利用几何对称性可以实施几乎无CPU消耗的区域裁剪。高度数据被存于纹理在VS阶段采样。结合双线程分页机制,几何Clipmaps可以支持大规模地形数据,但同时带来每帧对高度纹理的CPU更新,我们仅使用一次map操作并结合toroidal数组完成所有高度值的更新,以降低性能损失。为避免T型裂缝,需要对顶点进行morphing计算,整个morphing过程在shader里完成。将我们实现的几何Clipmaps系统模块与GeomMipmapping程序做性能对比,结果证明前者在效率上更具优越性。利用现代显卡的高速绘制能力,几何Clipmaps将CPU从过去繁重的计算中解放出来,使其更能专注于实时系统中的人工智能、物理系统、或者其它真实感渲染技术。因此,它能更好的运用于项目组的三维实时展示系统中,使高数据量地形渲染不会成为系统的主要性能瓶颈,可以为其它真实感绘制,比如水面,动态天空等提供更好的实现条件。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题背景和研究意义
  • 1.2 国内外研究现状
  • 1.2.1 层次结构算法
  • 1.2.2 Triangular Irregular Networks
  • 1.2.3 基于 GPU 的地形渲染策略
  • 1.3 论文的主要工作、创新点及章节安排
  • 1.3.1 论文的主要工作及创新点
  • 1.3.2 论文的章节安排
  • 第二章 基于GPU 的地形渲染
  • 2.1 使用 Geom Mipmapping 进行快速地形渲染
  • 2.1.1 Geom Mipmapping 概述
  • 2.1.2 选择合适的 Mipmapping level
  • 2.1.3 处理Mipmapping level 裂缝问题
  • 2.1.4 使用morphing 解决地形突显
  • 2.2 地形的多层纹理
  • 2.3 本章小结
  • 第三章 几何Clipmaps
  • 3.1 几何Clipmaps 概述
  • 3.1.1 n 值的选取
  • 3.2 几何Clipmaps 的区域定义
  • 3.2.1 几何Clipmaps 过渡区域
  • 3.3 几何Clipmaps 的视域体裁剪算法
  • 3.3.1 视域体平面定义方法
  • 3.3.2 AABB 与视域体的相交判定
  • 3.4 本章小结
  • 第四章 几何Clipmaps 的实现与优化
  • 4.1 使用分页管理地形资源
  • 4.1.1 分页机制下的几何Clipmaps 坐标系
  • 4.1.2 几何Clipmaps 页面管理
  • 4.2 几何Clipmaps 的区域更新
  • 4.2.1 活动区域的移动
  • 4.2.2 活动区域的数据更新
  • 4.3 几何Clipmaps 的渲染
  • 4.3.1 VB 与 IB 的创建
  • 4.3.2 高度纹理的更新与采样
  • 4.3.3 过渡区域的morphing 处理
  • 4.3.4 几何Clipmaps 的普通纹理处理
  • 4.4 系统主要类的设计
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 系统测试及性能分析
  • 5.1 测试数据
  • 5.2 系统实验结果及性能分析
  • 5.3 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 6.1 工作展望
  • 6.1.1 基于视点高度的网格简化
  • 6.1.2 地形真实感渲染
  • 6.1.3 RTT 的应用
  • 6.1.4 边缘地形处理
  • 6.1.5 动态地形
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间取得的研究成果
  • 相关论文文献

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