基于硬件加速的户外景物实时绘制

摘要

真实感图形学是计算机图形学中的一个重要组成部分，它的基本要求就是在计算机中生成三维场景的真实感图形或图像。随着计算机图形学和计算机技术的发展，真实感图形学在我们的日常工作、学习中已经有了越来越多的应用，特别是在广告设计制作、三维游戏制作领域，以真实感图形学原理为指导的图形制作已经成为运用最广泛的技术。
　　而支持可编程渲染管线显卡的问世，使得在渲染过程中多边形转换与光源处理的工作从之前的由软件处理转向了由硬件处理，从而大大加快了图形的渲染速度。许多复杂场景的实时绘制如今成为了可能。
　　但是即便如此，对类似于海洋、地形这些形态复杂的户外景观的真实感实时绘制仍然是非常困难的。因此基于硬件加速的户外景物的真实感实时绘制，依然是一个值得研究的重要课题。
　　特别是对于一些小型广告公司、三维游戏制作公司来说，由于受到资金、成本、人力资源等方面的限制，无法采用高端设备或大开销的算法，必须考虑在现有设备条件下，如何采用更经济、快速、有效的方法来实现尽可能好的效果。因此我们还是要运用一些算法，同时合理借助GPU技术，以期达到真实感与效率并举的结果。
　　本文以硬件开发技术为基础，通过理论研究与实践开发，实现了几种包含多类自然景物的三维虚拟场景。其中海水的真实感实时绘制借助了Perlin噪声生成海浪的方法和基于透视的自适应网格技术以及菲涅尔反射原理，地形的建模借助了高度图生成地形的方法，树木的绘制借助了公告牌（Billboard）技术，天空环境的渲染借助了天空盒的方法。同时通过键盘及鼠标输入，用户还可以在虚拟场景中进行漫游。文中所设计的方法，已经在几家小型广告公司得到实际应用。
　　实践证明，本技术具有场景逼真度高、景物丰富、渲染速度快而流畅、能为企业节约设备、人力成本等优势。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

1.4 各章简介

第二章 开发技术介绍

2.1 Direct3D简介

2.2 GPU的发展历史

2.3 图形实时绘制与自然景物模拟

2.4 本章小结

第三章 功能模块的设计框架

3.1 功能模块的总体架构

3.2 子模块介绍

3.3 整体架构实例

3.4 整体设计开发的软硬件配置

3.5 本章小结

第四章 功能模块的研究与实现

4.1 海水模拟的实现方法

4.2 陆地模拟的实现方法

4.3 天空环境模拟的实现方法

4.4 硬件加速方法下动态物体绘制的实现

4.5 通过硬件加速对全场景进行高动态光渲染

4.6 用户操作界面（UI）

4.7 在场景中加入音效

4.8 在场景中漫游的实现方法

4.9 本章小结

第五章 实现结果测试与分析

5.1 实现结果截图

5.2 性能测试与分析

5.3 影响渲染效率的因素分析

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

致谢

参考文献