基于XNA的虚拟现实三维引擎设计与实现

论文摘要

虚拟现实技术作为一种新的技术,在娱乐、游戏、建筑设计、仿真等多个领域获得了广泛地应用。随着计算机硬件能力的迅速提高以及成本的大大降低,游戏画面质量有了质的突破,达到了或超过了许多专用虚拟现实引擎的画面效果。由于游戏引擎的普及面广、授权成本低,己有不少国外公司开始将游戏引擎用于虚拟现实领域。本文研究基于XNA的虚拟现实三维引擎设计与实现。本文首先简单介绍了虚拟现实在国内外的发展现状,在此基础上结合XNA,着重讨论了游戏引擎的设计与开发技术。论文的主要工作包括以下几个方面：(1)讨论了游戏引擎三维渲染器的设计问题,将渲染系统按功能划分成渲染原语管理模块、渲染功能模块和网格模型模块。采用顶点及索引管理对着色器进行了优化,改善了绘制性能。提出的渲染队列管理方法,提高了填充帧速率。(2)基于面向对象设计方法和发射器/调节器粒子渲染模式,设计了游戏引擎粒子系统架构。该架构由四个基本部件构成,每个部件都可以通过继承进行功能扩展。基于上述粒子系统引擎,探讨了粒子系统特效编辑软件的设计,采用控件技术解决了设置和调试特效不直观和不方便的问题,实现了粒子系统模拟效果多样性。(3)设计了骨骼蒙皮动画的实现方案。基于传统的骨骼蒙皮动画技术,分析了骨骼动画中的关键帧技术,设计了用于控制动画播放和关键帧插值运算的动画控制器,达到了比较理想的动画效果。(4)最后实现了一款基于XNA的引擎原型系统——xVR引擎,该引擎包括基本功能模块和辅助开发工具,可用于小型三维游戏和虚拟现实系统的开发。文中给出了一个简单的系统实例。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 虚拟现实技术概述
• 1.1.1 虚拟现实的概念与特点
• 1.1.2 国外虚拟现实技术研究现状
• 1.1.3 虚拟现实技术在国内所处的地位
• 1.2 三维游戏引擎及其发展概况
• 1.3 基于XNA的虚拟现实三维引擎的研究意义
• 1.4 本文所做的工作
• 1.5 小结
• 第2章 xVR引擎总体架构
• 2.1 xVR引擎的架构
• 2.2 底层模块
• 2.3 中低层模块
• 2.4 中高层模块
• 2.5 高层模块
• 2.6 小结
• 第3章 三维渲染器的设计
• 3.1 xVR引擎渲染器的总体设计
• 3.2 渲染原语管理
• 3.2.1 着色器管理
• 3.2.2 顶点管理与索引管理
• 3.3 渲染功能模块
• 3.3.1 材质管理
• 3.3.2 渲染队列
• 3.4 网格模型
• 3.5 小结
• 第4章 粒子特效系统
• 4.1 粒子系统的设计思想
• 4.2 xVR引擎粒子系统的设计
• 4.2.1 粒子系统总体架构
• 4.2.2 粒子类
• 4.2.3 发射器类
• 4.2.4 调节器类
• 4.2.5 渲染器类
• 4.3 粒子系统编辑软件
• 4.3.1 编辑软件界面及功能
• 4.3.2 基于XNA的控件技术
• 4.4 雪花粒子特效的实现
• 4.4.1 雪花粒子特征
• 4.4.2 雪花粒子特效的简单代码实现
• 4.4.3 基于脚本的雪花粒子特效的实现
• 4.5 小结
• 第5章 三维角色动画技术的实现
• 5.1 角色动画概述
• 5.2 骨骼蒙皮动画解析
• 5.2.1 骨骼静态模型解析
• 5.2.2 骨骼蒙皮动画的角色蒙皮
• 5.2.3 骨骼蒙皮动画的关键帧技术
• 5.3 骨骼蒙皮动画的更新
• 5.4 xVR引擎骨骼蒙皮动画模块的设计
• 5.4.1 骨骼蒙皮动画文件读取
• 5.4.2 动画控制器
• 5.4.3 动画管理类
• 5.5 高级骨骼动画
• 5.6 小结
• 第6章 xVR引擎应用实例
• 6.1 xVR引擎相关技术
• 6.1.1 输入控制
• 6.1.2 摄像机控制
• 6.1.3 碰撞检测
• 6.2 开发平台与开发环境
• 6.2.1 硬件环境
• 6.2.2 软件环境
• 6.3 基于xVR引擎的虚拟现实系统实例
• 6.3.1 系统需求
• 6.3.2 模型建立与运行效果
• 6.4 基于xVR引擎的系统性能测试
• 6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 攻读学位期间参与的科研项目