3D图形渲染引擎的设计与实现

摘要

三维图形技术是近年来得到众多关注和发展较快的技术之一，在虚拟现实、实时仿真、数字城市等领域有着广泛的应用。尤其数字娱乐产业在我国发展迅速，然而其中的核心技术三维图形引擎大部分被国外所占领，因此对它的研究变得十分有意义。 图形渲染是三维图形引擎的重要组成部分，是评价三维引擎的一个重要标志。本文在分析和研究三维图形引擎的结构和工作流程的基础上，自己建立了一个完整的三维渲染引擎，它以三角形为建模和处理的基本几何图元。另外本文在建立三维渲染引擎的同时还建立了一个支持三维引擎运行的数学库，该数学库主要提供了向量、矩阵和四元数的运算。 本文的研究首先以三维图形引擎的流水线为主线，分析了3D流水线的各个步骤，接下来重点讨论了两个重要的渲染部分：光照着色和纹理映射。它们在三维渲染方面非常重要，是模拟真实世界的关键技术。最后引擎加入了对z缓存的支持，使得多边形能够按照正确的顺序绘制。本文所实现的渲染引擎是采用软件渲染的方式，所有的空间变换、光照、纹理映射以及光栅化都用程序代码实现。本论文的特色和创新之处包括： 1)实现了一个完整而简单渲染引擎，3D代码部分不使用任何的图形支持库，可以方便的在各种不同的平台下移植，仅在输入控制时调用了DirectX的API。 2)提供3D运算需要的一套数学函数，整套函数在实现过程中在算法上进行了一定的优化。 3)该引擎提供从文件读取3D模型信息的功能。 本论文最后，作者对后续工作的内容，包括1/z缓存、Mipmapping、阴影等技术作出了探讨。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：修改提纲

声明

第一章绪论

1.1研究背景和研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国内外3D引擎的研究和应用领域

1.2.2常用渲染引擎

1.3课题来源及研究内容

1.4论文组织

1.5本章小结

第二章系统实现的理论基础

2.1 3D数学理论

2.1.1 3D坐标系

2.1.2向量

2.1.3矩阵

2.1.4四元数

2.2基本3D流水线简介

2.2.1物体

2.2.2局部坐标到世界坐标的变换

2.2.3世界坐标到相机坐标的变换

2.2.4物体剔除和背面消除

2.2.5相机坐标到透视坐标的变换

2.2.6透视坐标到屏幕坐标的变换

2.2.7光栅化

2.3光照着色理论

2.3.1颜色

2.3.2光照模型

2.3.3光源类型

2.3.4顶点象素着色

2.4本章小节

第三章3D图形引擎功能模块概述

3.1引擎的构架

3.2主要功能模块

3.2.1内存管理模块

3.2.2数学基础模块

3.2.3输入控制模块

3.2.4图形渲染模块

3.2.5场景管理模块

3.3本章小结

第四章数学基础模块的设计与实现

4.1向量支持模块

4.1.1数据结构

4.1.2支持函数

4.2矩阵支持模块

4.2.1数据结构

4.2.2支持函数

4.3四元数支持模块

4.3.1数据结构

4.3.2支持函数

4.4本章小结

第五章3D引擎渲染模块的设计与实现

5.1基本3D数据结构

5.1.1顶点

5.1.2多边形

5.1.3物体

5.1.4相机

5.1.5渲染列表

5.2基本3D几何变换

5.2.1局部坐标到世界坐标转换

5.2.2物体剔除

5.2.3背面消除

5.2.4世界坐标到相机坐标的变换

5.2.5相机坐标到透视坐标的变换

5.2.6透视坐标到屏幕坐标的变换

5.2.7线框引擎的测试

5.3光照和着色处理

5.3.1恒定着色模式

5.3.2 Gouraud着色模式

5.4纹理映射处理

5.5 z排序和z缓存

5.6光栅化

5.7本章小结

第六章渲染引擎的应用

6.1物体加载

6.2定义光源

6.3定义相机

6.4产生场景

6.5场景渲染

6.6本章小结

第七章结束语

7.1工作总结

7.2工作展望

参考文献

致谢

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