数字娱乐软件系统及关键技术研究

摘要

数字娱乐是近年来计算机学科一个迅速发展的领域。它结合了计算机图形学、虚拟现实、人工智能、网络通信等多项计算机技术，向用户提供逼真、生动、有趣的体验。数字娱乐产业作为一个新兴的文化产业，近年来在全球发展迅猛，而数字娱乐核心技术，不仅是这个产业的技术支柱，更可以广泛应用于国防安全、文化教育、工程设计等各个重要部门，对精神文化和国民经济的发展有着重要意义。
　　 数字娱乐产业目前在世界发达国家发展迅猛，已经成为文化产业的主导之一，相关核心技术已经过了十数年的快速发展。目前数字娱乐产业作为我国大力扶植的新兴绿色产业，迫切需要自主相关核心技术的支持。国内学界虽然在计算机图形学、虚拟现实等相关领域已经具备了一定的研究基础，但仍缺乏系统、完善和可应用于产业应用的研究成果。
　　 本文基于现实中的数字娱乐产业项目工作，将数字娱乐相关技术进行有机地结合，对数字娱乐软件系统进行了科学、完善地设计构造，并对所涉及的各具体技术方面提出了卓有成效、极具实际应用价值的实现方法。本文主要创新点有如下几个方面：
　　 第一，设计并实现了数字娱乐软件系统的中间件模式和系统扩展机制，建立了完整的中间件程序开发框架和应用部署机制，该方法可便捷的实现任何第三方技术与本文工作成果的集成，既提升了本文工作成果的扩展性和通用性，同时又为搭建松散耦合、功能完备的大规模数字媒体技术开发平台提供了重要的支撑。
　　 第二，提出并实现了基于渲染循环灵活控制的通用3D渲染系统框架，并用全新或改进的方法对天空绘制、光影绘制、地形系统等3D场景功能模块进行了有效的设计实现，可支持类型广泛的3D数字媒体技术应用。在实现完备图形绘制功能的基础上，针对各种应用提供了灵活的渲染循环二次开发封装模式，建立了通用的3D图形模块框架。
　　 第三，针对大场景3D实时渲染技术难题，提出并实现了三层通用优化渲染模型，针对场景级、模型级和GPU数据流级三个层次进行渲染优化，对现有各种渲染优化技术进行了创新性的改进和集成。包括应用改进的层次化硬件遮挡查询来进行可视化裁剪；应用金字塔型栅格来对模糊物体进行可视化裁剪，以及一个全新的优化模型网格排列的算法，等等。
　　 第四，在场景管理、人工智能、物理仿真等辅助技术进行了有效的开发集成。在实现相关核心技术的基础上，针对各种应用进行了二次开发封装，建立了通用的3D数字媒体引擎框架和基础软件工具包。
　　 最后，以多个实际产业应用中的项目案例，来对本文工作的系统性、有效性进行验证，从不同类型的现实应用项目，体现了本文工作的通用性和实用性价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

声明

第一章 绪论

第一节 研究背景与意义

第二节 数字娱乐技术研究与发展现状

1.2.1 硬件固化方式

1.2.2 软件与主机分化的出现

1.2.3 软件引擎的出现

1.2.4 引擎和其他中间件的分类细化

第三节 系统定义和研究目标

1.3.1 数字娱乐软件系统定义

1.3.2 系统研究目标

第四节 本文的组织

第二章 数字娱乐软件系统体系结构

第一节 引言

第二节 数字娱乐软件系统架构

2.2.1 系统架构设计特性

2.2.2 系统架构详细设计

第三节 本章小结

第三章 图形绘制技术实现

第一节 引言

第二节 PC图形技术发展现状

3.2.1 现代计算机图形学的产生

3.2.2 图形渲染流水线

第三节 图形子模块渲染功能设计与实现

3.3.1 图形子模块的硬件平台需求

3.3.2 常用渲染功能和默认渲染循环

3.3.3 自定义渲染循环控制与应用

第四节 本章小结

第四章 实时图形渲染优化技术

第一节 引言

第二节 渲染优化技术综述

4.2.1 场景复杂度的优化

4.2.2 物体自身复杂度的优化

4.2.3 设备响应延迟的优化

4.2.4 模型顶点数据的优化

第三节 通用化3D渲染优化策略

4.3.1 场景整体的优化策略

4.3.2 使用“模糊系数”对物体优化类型进行分类

4.3.3 使用三角形Strip衍生来优化模型网格排序

第四节 多层次渲染优化设计与实现

4.4.1 优化层次设计

4.4.2 文件数据优化模块

4.4.3 场景预处理模块

4.4.4 可视化裁剪模块

4.4.5 LOD模块

4.4.6 数据流通信管理模块

第五节 优化性能测试

4.5.1 模型文件优化测试

4.5.2 实时渲染性能测试

第六节 本章小结

第五章 人工智能和物理技术

第一节 引言

5.1.1 AI技术的应用

5.1.2 物理仿真技术的应用

第二节 AI中的路径搜索功能设计与实现

5.2.1 3D场景的空间规划

5.2.2 AI Map中间结果生成

5.2.3 对中间结果的路径搜索

5.2.4 路径搜索任务调度算法

5.2.5 路径搜索实验测试

第三节 物理仿真功能模块

5.3.1 物理引擎集成

5.3.2 刚体物理模型与渲染对象之间的联动

5.3.3 关节体物理模型与渲染对象之间的联动

5.3.4 软体物理模型与渲染对象之间的联动

第四节 本章小结

第六章 插件式中间件

第一节 引言

第二节 插件式系统部署

6.2.1 插件式部署的特点

6.2.2 插件机制的实现

第三节 本章小结

第七章 现实应用实例

第一节 引言

第二节 第一人称视角游戏项目应用实例

第三节 第三人称视角游戏项目应用实例

第四节 虚拟车辆展示与驾驶项目应用实例

7.4.1 车辆静态展示

7.4.2 车辆驾驶模拟

第八章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历及在学期间发表的学术论文及研究成果