3D游戏引擎中大规模室外场景渲染技术的研究与实现

论文摘要

经过不断的进化,如今的3D引擎已经发展为一套由多个子系统共同构成的复杂系统。其中最重要的部分是渲染系统,而一个3D游戏技术水平的高低,往往是体现在它的渲染引擎上。3D引擎技术的难点之一就是大规模室外场景的渲染技术,它的研究与实现,在游戏开发中,拥有非常重要的作用。本文首先分析了3D引擎的一些特点,然后介绍了大规模室外场景的渲染相关技术,包括地形渲染技术与真实感场景渲染技术两方面。在大规模的地形渲染技术的设计上,本文提出了一种基于二叉树的LOD改进算法来解决大规模地形渲染中的三角形数目问题。该LOD算法中,使用了视点相关以及和地形本身起伏程度相关的技术来决定地形应有的细节程度。在每次渲染前,都动态的更新地形网格,只渲染需要的节点。因此地形网格是不规则的。离观察者越远,细节越少,离观察者越近,细节越多。算法递归的分割每一个节点,直到到达需要的细节程度。这种分割依赖于节点的大小,节点内地形的起伏程度,以及观察者离节点的距离。地形的起伏程度事先被计算出来以提高速度。在场景真实感渲染设计上,通过光照仿真机制、纹理映射、基于图像的建模和绘制等多种技术,较为真实地表现了场景光照计算、天空体、水质模拟、光影特效和运动模糊等多种游戏中必须的场景真实效果。最后,本文设计并实现了基于上述算法地形绘制系统,并指出进一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 3D游戏引擎概述
• 1.1.1 3D游戏引擎结构分析
• 1.1.2 3D游戏引擎的发展状况
• 1.2 GPU（Graphical Processing Unit）介绍
• 1.3 三维游戏引擎的渲染系统
• 1.4 课题研究的意义和目标
• 1.5 本文的工作及论文的篇章结构
• 第二章 大规模室外场景渲染技术
• 2.1 室外场景渲染技术简介
• 2.2 地形渲染技术综述
• 2.2.1 地形建模方法
• 2.2.2 地形的两种渲染方式
• 2.2.3 Voxel和LOD技术对比
• 2.2.4 使用高度图来描述游戏引擎中的地形数据
• 2.2.5 3D游戏引擎中高度图生成方法
• 2.3 OpenGL几何变换
• 2.3.1 世界坐标变换
• 2.3.2 视图变换
• 2.3.3 投影变换
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于LOD技术的地形简化算法研究
• 3.1 LOD简介
• 3.2 LOD地形模型
• 3.2.1 离散LOD地形模型
• 3.2.2 连续LOD地形模型
• 3.3 基于LOD技术的地形简化算法
• 3.3.1 基于四叉树的LOD算法
• 3.3.2 基于二叉树的LOD算法
• 3.4 基于二元三角树的LOD算法的改进
• 3.4.1 结点数据结构
• 3.4.2 动态地形简化算法
• 3.5 结点评价函数
• 3.5.1 视距标准
• 3.5.2 地形粗糙度标准
• 3.5.3 综合结点评价函数
• 3.6 视域剔除
• 3.7 材质和场景模型的纹理映射
• 3.7.1 材质
• 3.7.2 场景模型的纹理映射
• 3.8 本章小结
• 第四章 真实感场景的生成技术
• 4.1 场景真实化
• 4.1.1 地表的细节
• 4.1.2 天空体的实现
• 4.1.3 水面（Water Surface）
• 4.1.4 基于Billboard的树木仿真
• 4.2 场景特效
• 4.2.1 镜头眩光
• 4.2.2 雾化效果
• 4.2.3 运动模糊
• 第五章 地形绘制系统设计与实现
• 5.1 系统结构
• 5.2 系统实现描述
• 5.2.1 预处理模块
• 5.2.2 数据存取模块
• 5.2.3 网格生成模块
• 5.2.4 渲染模块
• 5.2.5 摄像机模块
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 算法的运行效率
• 5.3.2 该算法与其他算法的性能比较测试
• 第六章 总结和展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 进一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文