真实感三维场景中实时渲染特效的研究与实现

摘要

三维图形技术发展至今，已成为人们生产生活中不可或缺的一部分。如何在保证速度的前提下让三维场景愈加贴近现实，将更加逼真完美的画面呈现在用户面前，一直是三维图形技术关注的重要话题。SIM3D是电子科技大学数字媒体教研室所研发的以SIM3D为渲染内核，功能插件为应用辅助的一款图形引擎。该平台面向与三维图形相关的一切领域，实现可视化编辑，能支持飞行控制、训练仿真、数字展示等行业与领域的应用。本课题结合该项目对三维场景中的实时渲染特效进行了深入研究，并将成果集成到引擎插件中。研究范围重点包括了高动态范围，景深，雾化等。高动态范围（High-Dynamic Range）是还原真实画面的重要手段之一。该技术对计算机中的色彩范围进行了扩展，模拟了现实场景中的真实光照色彩。
　　本文详细分析了高动态范围技术的原理以及作为其关键技术的色调映射方法。最后介绍了HDR特效系统的详细实现，重点说明了光晕模拟与曝光控制过程，并将该特效集成到SIM3D图形引擎的后处理插件中。景深（Depth of Field）是人类视觉表现的重要特征。在三维场景中模拟出这种效果，可以使我们的场景更加逼真，达到身临其境的效果。本论文从虚拟透镜成像着手对景深特效的算法进行了探讨，利用基于GPU可编程特性的z缓冲区技术，采取反向映射法实现了景深模拟，从画面体验出发放弃了一些物理上的弥散圆特定性，用一种改进的模糊方法实现了画面的平滑过渡。该特效系统同样集成在SIM3D的后处理插件中。雾化（Fog）效果是三维仿真系统中不可缺少的一部分。在虚拟环境中雾化是指根据景物的深度和距离将其颜色和雾的颜色进行混合，以创造出更加贴近现实的三维场景。本论文讨论了不同雾化的生成技术及其特征，最后将距离雾与体积雾的应用实现到SIM3D图形引擎的场景编辑器雾化模块与立体云插件中。实验结果表明：将我们的实时渲染特效与三维场景结合在一起，仿真结果实时、高效，进一步提高了用户对三维虚拟场景体验的真实度和沉浸感。

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第一章 绪论

1.1 计算机图形技术发展概况与现状

1.2 课题研究意义

1.3课题工作

1.4章节安排

1.5本章小结

第二章 相关技术介绍

2.1 硬件支持

2.2 软件支持

2.3 Shader语言

2.4 光照模型

2.5 本章小结

第三章 SIM3D图形引擎

3.1 SIM3D概述

3.2 课题研究的相关模块

3.3本章小结

第四章 高动态范围特效的研究与实现

4.1高动态范围关键技术研究

4.2 HDR特效的实现

4.3 HDR特效在项目中的应用

4.4本章小结

第五章 景深特效的研究与实现

5.1 景深详解

5.2 实时渲染中的景深特效

5.3 景深特效的实现

5.4 景深特效在项目中的应用

5.5 本章小结

第六章 雾化特效的研究与实现

6.1现实中的雾化效果

6.2 图形学中的雾效

6.3 距离雾化特效的实现

6.4 体积雾化的实现

6.5 雾化特效在项目中的应用

6.6 实时渲染特效的综合应用分析

6.7本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本论文研究总结

7.2 前景展望

致谢

参考文献

作者攻硕期间取得的研究成果