基于几何Clipmaps的超大规模地形高效渲染设计与实现

摘要

本文主要研究如何在三维实时系统中对大规模室外地形做高效渲染。在20世纪末，限于当时的硬件水平，对地形的优化主要依靠CPU计算。经典的ROAM、四叉树等算法使用递归划分或合并，试图用最合适的三角形数目对几何地形进行模拟。同一时期提出的TINs地形优化算法使用不规则三角形对地形做更精确的模拟，但由于存储结构复杂，CPU计算量大等缺点导致其不适合应用于实时系统。这些算法的共同点在于都使用大量CPU计算来减少送入管线的三角形总数。
　　GPU处理三角形的能力日益强大，如果保持渲染状态不变，GPU可以进行每秒上亿次三角形绘制。GeomMipmapping是基于GPU进行地形加速渲染的经典方法之一，其主要管理对象是规则网格地形块。网格的顶点和索引数据都存储于显存，GPU可以快速读取它们以进行高效绘制。位于视域体外的地形块可以按照四叉树快速剔除，与视域体相交的地形块也可以根据摄像机位置选择合适的LOD。GeomMipmapping的主要性能瓶颈在于每帧对VB、IB的一次CPU更新。
　　几何Clipmaps以视点为中心将不同分辨率网格嵌套在一起，LOD表现为离摄像机较近网格具有更高细节。我们在系统实现中对传统几何Clipmaps做出改进，创建了不改变的VB、IB并组织成能被GPU快速渲染的strip。利用几何对称性可以实施几乎无CPU消耗的区域裁剪。高度数据被存于纹理在VS阶段采样。结合双线程分页机制，几何Clipmaps可以支持大规模地形数据，但同时带来每帧对高度纹理的CPU更新，我们仅使用一次map操作并结合toroidal数组完成所有高度值的更新，以降低性能损失。为避免T型裂缝，需要对顶点进行morphing计算，整个morphing过程在shader里完成。将我们实现的几何Clipmaps系统模块与GeomMipmapping程序做性能对比，结果证明前者在效率上更具优越性。
　　利用现代显卡的高速绘制能力，几何Clipmaps将CPU从过去繁重的计算中解放出来，使其更能专注于实时系统中的人工智能、物理系统、或者其它真实感渲染技术。因此，它能更好的运用于项目组的三维实时展示系统中，使高数据量地形渲染不会成为系统的主要性能瓶颈，可以为其它真实感绘制，比如水面，动态天空等提供更好的实现条件。

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第一章 绪论

1.1课题背景和研究意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的主要工作、创新点及章节安排

第二章 基于GPU的地形渲染

2.1使用GeomMipmapping进行快速地形渲染

2.2地形的多层纹理

2.3本章小结

第三章 几何Clipmaps

3.1几何Clipmaps概述

3.2几何Clipmaps的区域定义

3.3几何Clipmaps的视域体裁剪算法

3.4本章小结

第四章 几何Clipmaps的实现与优化

4.1使用分页管理地形资源

4.2几何Clipmaps的区域更新

4.3几何Clipmaps的渲染

4.4系统主要类的设计

4.5本章小结

第五章 系统测试及性能分析

5.1测试数据

5.2系统实验结果及性能分析

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果