GPU优化的3D游戏室外大场景的渲染

摘要

在金融危机的背景下,很多产业出现了大滑坡。而游戏产业仍然保持着连续快速的增长,发展游戏产业对抵御金融危机具有一定的积极作用。目前国内的2D游戏技术已经比较成熟,而3D游戏正在蓬勃发展。在大型的3D网络游戏中,室外场景的渲染占据重要的地位。本文结合GPU的特点,从室外场景地形渲染、室外场景物体管理和室外场景的光影仿真这三个方面来研究室外场景的渲染技术。
　　 1.室外大地形渲染
　　 本文在几何裁剪图(Geometry Clipmaps)算法的基础上,结合现代游戏的特点,提出了更适合游戏室外地形的Geometry Clipmaps算法。该算法通过改善Geometry Clipmaps网格和索引组织结构,实现了一次绘制调用渲染整个地形,减少了渲染批次,充分利用了GPU批量渲染能力；并通过在相邻的粗糙层次中增加顶点索引解决裂缝和跳跃问题。采用alpha混合纹理控制地面贴图的位置和权重,使得纹理控制更加灵活。
　　 2.室外大场景物体管理
　　 利用场景图算法对场景物体进行管理,并使用四叉树算法对场景进行空间剖分,同时结合轴对称包围盒(AABB),实现场景物体快速裁剪和碰撞检测。在渲染时,对可见物体以渲染状态和材质属性进行分组,从而减少GPU的渲染状态切换,增加渲染速度。对于一些数量极多,但属性类似的物体,采用instancing实例化技术,大大的减少了渲染批次,实现一次GPU绘制调用,渲染一大批物体。
　　 3.室外场景光影仿真
　　 对于场景仿真方面,本文主要研究了光影方面的仿真。在充分比较阴影体和Shadow Maps阴影的基础上,采用了Shadow Maps阴影作为基础阴影算法,通过改善Shadow Maps算法,使用CSM(Cascaded Shadow Maps)和VSM(VarianceShadow Maps)结合,完美的解决了大规模场景动态阴影走样的问题。利用Bloom技术模拟HDR效果,加强场景的柔和和高亮效果。通过光影方面的仿真,场景真实感有了较大的提高。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 大地形渲染的细节层次(Level of Detail,简称LOD)技术

1.2.2 大场景物体的组织和管理

1.2.3 场景仿真技术

1.3 引擎中大规模室外场景研究的主要问题和难点

1.4 本文所研究的内容及方法

1.4.1 室外大地形的渲染

1.4.2 大场景物体的管理

1.4.3 室外场景光影仿真

第2章 室外大地形的渲染

2.1 几何裁剪图(Geometry Clipmap)简介

2.2 本文方法

2.2.1 高度图的表示

2.2.2 网格结构

2.2.3 顶点缓冲区和索引缓冲区

2.2.4 消除裂缝和跳跃

2.2.5 地形数据的更新

2.2.6 地形纹理

2.2.7 光照

2.3 实验结果

2.4.本章小结

第3章 大场景物体的管理

3.1 场景图组织场景物体

3.1.1 场景图概述

3.1.2 场景图的实现

3.2 场景的空间剖分

3.2.1 四叉树剖分场景

3.2.2 向四叉树添加物体

3.3 渲染场景中的物体

3.3.1 清空场景的渲染队列

3.3.2 判断物体的可见性

3.3.3 将叶子节点的物体加入分类渲染队列

3.3.4 绘制渲染队列

3.4 Instancing实例化技术渲染数量多但属性类似的物体

3.4.1 准备顶点数据

3.4.2 渲染instancing数据

3.4.3 使用AABB进行优化

3.4.4 实验截图

3.5 室外场景的碰撞检测

3.5.1 地形碰撞检测

3.5.2 静态物体碰撞检测

3.5.3 大物体碰撞检测

3.5.4 动态物体的碰撞检测

3.6 本章小结

第4章 室外场景光影仿真

4.1 大规模场景的阴影概述

4.1.1 硬阴影和软阴影

4.1.2 阴影体

4.1.3 Shadow Maps算法

4.2 本文的阴影算法

4.2.1 阴影走样的出现

4.2.2 CSM算法

4.2.3 VSM算法

4.2.4 阴影实验结果

4.3 场景Bloom特效

4.4 本章小结

第5章 总结和展望

5.1 论文总结

5.1.1 室外大地形的渲染

5.1.2 室外物体管理

5.1.3 室外场景的仿真

5.2 论文展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢