基于GPU的复杂植被场景的绘制与动态模拟

摘要

复杂植被场景作为室外场景的重要组成元素，在三维虚拟场景的绘制中往往占据着用户绝大部分的视野，其真实感和交互性将直接决定着用户对场景的认知。然而，复杂植被场景的构成非常复杂，除了应有的地形之外，还包含着大面积的草地和种类繁多的树木。为了满足用户对复杂植被场景的真实感和实时性的要求，本文采用了最新的基于GPU的可编程渲染管线技术，主要从草地的绘制与动态模拟以及树木的真实感绘制两方面进行研究，并实现了复杂植被场景的渲染系统。
　　首先，针对草地场景中海量草体的绘制存在着数据传输量大、渲染效率低等问题，提出了基于曲面细分和几何着色器的草体绘制方法。在草地场景渲染时，CPU只需要向GPU传输少量的网格数据，便可利用曲面细分功能细分出很多顶点。根据曲面细分阶段流出的顶点坐标，几何着色器能够在GPU中进行草体的绘制，很好的解决了CPU与GPU的数据传输瓶颈。通过曲面细分因子可以很好的控制网格的细分程度，因此能够根据用户的视点来对草体的密度进行控制。得益于几何着色器的出现，与草体动态模拟相关的力学计算也可以在GPU中完成，从而使CPU不再受繁重计算任务的影响，显著地提升了渲染系统的性能。
　　其次，在大量树木的绘制方面，本文采用了基于硬件的实例化技术，该技术在绘制过程中能够有效的减少CPU与GPU之间数据传输量，并且降低CPU对渲染过程的干涉，提高了渲染的流畅性。在树木的真实感绘制方面，采用基于物理的光照来代替传统的光照模型来渲染树木场景中的树叶，并且根据视点和光源的位置关系对树叶的正反两面进行光照处理，使其具有更加真实的外观；对于树木场景中的树干，采用了最新的曲面细分技术绘制出具有凹凸感的树干，并且根据视点位置的不同来控制树干的细分程度，实现了树干在不同层次细节之间的平滑过渡。
　　最后，本文采用数据、逻辑和渲染相分离的策略实现了复杂植被场景的渲染系统，提高了场景的绘制效率，并为场景增添了雾效果与地表杂物等细节，使复杂植被场景更加具有真实感。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 本文的结构安排

第二章 相关技术介绍

2.1 引言

2.2 图形处理硬件的发展

2.3 图形绘制管线

2.4 可编程渲染管线

2.5 本章小结

第三章 草地的绘制与动态模拟

3.1 草地的真实感绘制

3.2 草地的动态模拟

3.3 草地绘制与动态模拟的实现

3.4 实验结果与分析

3.5 本章小结

第四章 树木的真实感绘制

4.1 基于几何实例化的树木绘制

4.2 树叶的真实感光照

4.3 树干表面的真实感渲染

4.4 实验结果与分析

4.5 本章小结

第五章 复杂植被场景渲染系统的设计与实现

5.1 系统总体架构概述

5.2 模块详细设计

5.3 场景细节绘制

5.4 实验结果与分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果