三维图形引擎中动态地形实时绘制技术研究与实现

摘要

随着计算机软、硬件的快速发展，人们对图形应用的场景真实感、实时性及交互性都提出了越来越高的要求。这直接导致了软件结构的复杂度进一步提高，开发周期和开发成本也随之增加。三维图形引擎作为图形学领域的核心技术，它通过对基本图形开发包进行封装，提供了一个简单清晰的图形应用开发框架，既能够有效的优化软件结构，又能够提高开发效率。本文分析了一款面向大规模户外场景仿真的三维图形引擎的架构设计和相关模块的实现细节，并基于该引擎对户外场景仿真的关键技术——动态地形的实时绘制技术进行了研究与实现。
　　首先，本文在国内外发展现状的基础之上，通过对已有研究成果的借鉴及对引擎设计原则、设计模式等理论知识的总结分析，从具体需求入手完成了三维图形引擎Wing3D的总体设计，并实现了其中的主框架、渲染管理及消息处理等模块。具体来讲，主框架设计引入了插件机制用以实现引擎的扩展性；渲染管理模块引入渲染队列用以提高渲染效率，并抽象出了一套通用的友好接口用以支持GPU编程；消息处理模块一方面简化了常规的消息处理框架，另一方面提出了消息优先级等概念用以对消息的灵活处理。
　　其次，本文研究了动态地形的实时绘制技术。动态地形在地面车辆模拟、实弹演习系统等一系列图形应用中具有一定的重要性，其实时绘制技术是近年来地形研究的热点。本文研究并分析了动态地形绘制的关键技术，并在此基础上从动态地形的地形简化、大规模地形支持及地形变形几个方面进行了实时绘制算法的改进。此外，我们基于课题中的Wing3D引擎对该算法进行了实现，并最终形成了其子系统——动态地形实时绘制系统。该子系统通过插件机制嵌入到引擎中，并通过提供一系列外部接口用以实现动态地形的通用性开发，是Wing3D引擎大规模户外场景仿真应用的重要技术支持。
　　最后，本文对三维图形引擎Wing3D及动态地形的实时绘制技术进行了展望，提出了能够进一步改进和提高的方向。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 论文的研究意义和应用价值

1.3 国内外研究现状

1.4 本文工作与创新

1.5 论文组织

第二章 三维图形引擎背景知识介绍

2.1 三维图形引擎概念

2.2 三维图形引擎设计原则

2.3 引擎中的设计模式介绍

2.4 主流三维图形引擎架构分析

2.5 本章小结

第三章 三维图形引擎总体设计及关键模块实现

3.1 三维图形引擎总体设计

3.2 引擎主框架模块的设计与实现

3.3 渲染管理模块的设计与实现

3.4 消息处理模块的设计与实现

3.5 实验结果与分析

3.6 本章小结

第四章 基于Chunked LOD的动态地形改进算法

4.1 地形建模及绘制基础

4.2 动态地形绘制技术

4.3 动态地形改进算法

4.4 本章小节

第五章 引擎中的动态地形子系统设计与实现

5.1 子系统总体设计

5.2 子系统关键功能模块设计

5.3 地表弹坑模拟实验

5.4 本章小节

第六章 总结与展望

6.1 课题研究总结

6.2 课题前景展望

致谢

参考文献

攻硕期间所取得的研究成果