3D游戏引擎中的室外大场景渲染技术研究与实现

摘要

在3D游戏特别是网络在线游戏中，室外大场景渲染是一块非常重要的内容，它也是3D图形引擎的核心。它是图形学和图像处理理论最直接的应用，其涉及的技术还可以应用于其它领域，比如虚拟现实、3D GIS、数据可视化等，其重要性不容置疑。随着硬件的不断发展，行业对渲染场景的规模和真实感提出了更高的要求。 本文对地形渲染中网格的简化进行了深入研究。充分比较了实时优化自适应网格(ROAM)算法、基于四叉树的LOD(levels of Details)算法、几何多重映射(GeoMipMap)算法的优劣。为了使地形绘制算法更好适应现代图形卡的硬件架构，达到CPU和GPU的均匀负载，本文提出一种基于GeoMipMap的地形绘制优化算法。该算法利用线性插值的方法改善了几何多重映射算法中由于网格分辨率变化引起的图像突变，用查找表的方式生成分块的网格顶点数据，进一步减轻CPU的工作量，并且通过把顶点数据保存在显存中，避免了大数据量在内存和显存间频繁传输。经实验数据证明，优化后的算法绘制速度得到极大提高，并且分辨率不同的网格间过渡自然，图像质量得以提高。为了解决超大场景的渲染问题，本文对游戏场景的数据加载方式进行了探讨，提出了一种基于内存缓冲池的动态数据加载方案。 此外，本文对室外场景中涉及的空间管理和面片剔除、裁剪技术进行讨论。详细描述了四叉树管理和基于包围球的视锥体裁剪等方法。 在场景真实感渲染技术上主要涉及用多纹理混合模拟融合性地表，用光照贴图表现地形的静态光照，用交叉平面模拟花草，树和天空的渲染以及雾的特效。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.1.1室外场景渲染研究的内容和难点

1.1.2国内外技术发展历程和现状

1.2课题研究的目的

1.3论文的篇章结构

第二章3D游戏场景渲染的基础知识

2.1基于多边形面片的3D渲染原理

2.1.1基于多边形面片的图形绘制流程

2.1.2变换

2.1.3裁剪

2.1.4投影

2.1.5光栅化

2.2图形绘制库OpenGL

2.2.1 OpenGL的基本理解

2.2.2 OpenGL的工作流程

2.2.3 OpenGL的程序结构

2.3本章小结

第三章室外场景地形的实时绘制技术

3.1地形绘制所需数据

3.1.1高度图

3.1.2缩放标尺

3.1.3顶点法向量

3.1.4多种地表纹理及光照贴图

3.1.5单个场景地形的数据结构

3.1.6面片的构成

3.2 LOD地形网格简化算法的基本思想及意义

3.3 ROAM算法

3.4基于四叉树的动态LOD算法

3.4.1算法思想

3.4.2此算法涉及的难点

3.4.3算法运行步骤

3.4.4算法相关代码

3.5游戏中地形绘制更好的方案

3.5.1 GeoMipMap算法

3.5.2 GeoMipMap优化算法

3.6地形的空间管理和可见性剔除算法

3.6.1按距离剔除

3.6.2视锥体剔除

3.6.3地形的空间管理与视锥体剔除

3.6.4地形遮挡剔除，背面剔除

3.7用动态数据加载实现超大地形的绘制

3.7.1静态加载方案

3.7.2动态加载方案实现无缝连接超大场景的实时绘制

3.8本章小结

第四章场景的真实感渲染技术

4.1纹理映射技术

4.1.1概念

4.1.2 OpenGL实现纹理映射的步骤

4.2用多层纹理混合贴图模拟融合性地表

4.2.1纹理混合贴图

4.2.2基于索引图的纹理混合贴图

4.2.3纹理混合的OpenGL实现

4.3室外场景的光影处理

4.3.1光照模型介绍

4.3.2室外场景中地形的光照处理

4.3.3场景中非地形的阴影算法简介

4.4天空的渲染

4.4.1天空盒子

4.4.2球形天空和弧度天空

4.4.3太阳和光晕的生成

4.5植物的渲染，雾的生成

4.5.1树草的构成与渲染

4.5.2树、草在地形中的分布和管理

4.5.3雾的特效

4.6本章小结

第五章OSRender场景渲染器总体设计与实现

5.1渲染器总工作流程

5.2渲染器的总体设计

5.3场景渲染的最终效果图

5.4基于OpenGL的渲染优化手段

5.4.1利用GLSL对GPU进行编程

5.4.2使用显示列表加快渲染速度

5.4.3使用VBO扩展加载顶点常驻显存

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2未来工作展望

参考文献

致谢

研究生在校期间的科研成果