1、 3D 游戏引擎中的室外大场景渲染技术研究与实现关键字: 室外场景渲染 LOD 技术 GeoMipMap 场景管理 多纹理混合3D 游戏特别是网络在线游戏中，室外大场景渲染是一块非常重要的内容，它也是 3D 图形引擎的核心。它是图形学和图像处理理论最直接的应用，其涉及的技术还可以应用于其它领域，比如虚拟现实、3D GIS、数据可视化等，其重要性不容置疑。随着硬件的不断发展，行业对渲染场景的规模和真实感提出了更高的要求。毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢
2、的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创
3、性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论
4、文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文
5、（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、
6、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论
7、文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日第一章 绪论1.1 概述众所周知，近几年以电子游戏为主
8、的计算机互动娱乐产业迅猛发展，已成为国民经济的重要组成部分。然而，由于我国的软件业起步较晚，3D 游戏的核心技术被欧美、日韩等牢牢占据。如何掌握相关核心技术已成为中国电子娱乐产业的当务之急。室外场景渲染是指对户外所有景物的真实绘制，相对于室内场景渲染，它更为复杂。在 3D 游戏特别是网络在线游戏中，室外大场景渲染是一块非常重要的内容，它也是 3D 图形引擎的核心(见图 1.1)。游戏引擎中大场景的渲染技术是图形学和图像处理理论的最直接应用，其涉及的技术还可以应用于其它领域，比如虚拟现实、3D GIS、数据可视化等，其重要性不容置疑。1.1.1 室外场景渲染研究的内容和难点真实感的室外场景除包括
9、地表的基本几何形状绘制，还包括地表上的生物如：草、岩石、树等的渲染以及对光影效果的表现。其中的难点主要在大规模地表的数据处理和真实感的仿真。地形场景中模型图元的数量是以场景大小平方的速度增长的。一个 81938193 维数的地形，如果不考虑减低细节程度和裁剪，绘制一帧将要渲染 128M 个三角形，这样的三角形量在 PC 级别的机器上目前还是远不能实现交互式帧率的。所以，如何减少渲染地形的图元数目一度成为室外场景实时渲染的关键问题。随着硬件技术的发展，每秒钟处理上亿个三角形已不再困难。很多计算如几何变换和光栅处理都可以交给 GPU 去计算。在 GPU数据吞吐量很大的情况下，如果个算法在剔除渲染图
10、元的过程中占用了太多 CPU 资源，出现 GPU 等待CPU 的情况，那么即使算法在剔除多余顶点方面做得很好，总体绘制效率也不是高效的。所以在目前的显卡硬件架构下，能充分发挥 CPU 与 GPU 性能，消除局部效率瓶颈的算法才是最好的算法。在真实感仿真上，比如对草丛的模拟，如果全部用细节三角形面片，那即使一片草地需要渲染的三角形个数也是难以想像的。目前对物体细节的表现还主要是运用纹理贴图的方式来实现。光影效果的表现涉及局部光照模型、全局光照模型、光照贴图、阴影生成等相关算法和技术。1.1.2 国内外技术发展历程和现状在国外，3D 游戏中场景渲染技术的发展大致可以分为三个阶段：三维真实感场景渲染
11、领域的研究在国外起步很早，很多相关算法在 8090 年代就已提出，并建立了非常严密的理论体系。比如对场景渲染非常重要的多边形 LOD 算法，场景空间管理的 BSP、四叉树、八叉树等算法，光照模型，阴影算法等。但是这些算法在资源有限的微机上受到各方面限制。当时的这些算法还仅限于在大型机和图形工作站上实现。92 年，随着 ID Soft 公司一款游戏 Quake(雷神之锤) 的发布，标志着第一款支持多边形模型、动画、粒子系统的全三维游戏在个人计算机上正式诞生。在随后发布的 QuakeII、Unreal、Half Life 等游戏中，场景渲染相关的 LOD 技术、BSP 空间管理技术、光照贴图、凹凸
12、贴图、多重贴图等相继应用在 3D 游戏中。随后出现的 Quake、Unrea游戏引擎，更是标志着 3D 游戏引擎技术走向成熟。现阶段，随着显卡技术的发展，GPU 不但支持标准的( 固定的) 变换与光照(T L)管道线，还支持顶点着色(vertex shader)和像素着色(pixel shader) 方式，开发人员因此有了更大的自主空间，可以实现更真实的绘制功能。在此环境下，各大公司都着手开发新一代 3D 游戏引擎。其中商业引擎以 QuakeIII、UnrealII最为出名。此外，软件开源社区的不断壮大，也诞生出一些比较好的开源 3D 引擎，比如 OGRE 等。运用这些引擎中的场景渲染技术能生
13、成真实感更强的水波、天气系统、茂密的森林、流熔岩的火山等效果，场景的规模也更大，顶点动态光照技术也开始在室外场景中应用。3D 游戏的趋势是往超大规模场景，真实感表现的虚拟世界发展。大规模场景表现和游戏的虚拟仿真，自然也成为了世界上 3D 游戏行业非常热门和前沿的研究领域与方向。比如美国暴雪公司的“魔兽世界“和韩国 NCSOFT 公司的 “天堂 2“已经在这两个方而取得了相当的突破和进展。暴雪的 “魔兽世界“ 按人的比例来计算，世界地图已达到 35km35km。随着电子娱乐业的迅猛发展，国内目前从事 3D 引擎研究和开发的公司也多了起来。比如目标软件的GFX3D 引擎，盛大公司的 3D 引擎，网
14、易公司的 3D 引擎，锦大科技的 AURORA 引擎等，还有一些游戏工作组的 3D 引擎，比如 WIN3D 系列，Origo 系列，TUAM9 系列引擎等。但总体上来说，国内还处在使用和模仿优秀引擎的阶段，很多都是在国外优秀引擎上做一些延伸。真正严格意义上自主开发产品还几乎没有，或者说自主开发产品的质量和欧美日韩还有一定差距。这种差距在一定程度上反映在 3D 大场景渲染技术方面，因此深入的展开这方面的研究十分必要。1.2 课题研究的目的本课题希望通过剖析多款成熟 3D 游戏、引擎，对 3D 引擎的核心部分一室外场景渲染技术进行探讨，并设计和实现自己的一些方案，给我国商业游戏引擎的开发带来一些启示。1.3 论文的篇章结构本文本着注重实际应用的前提，通过剖析开源 3D 引擎并运用推测验证的方法，对室外场景渲染的主要技术进行了研究和实现，在很多章节也提出了自己的方案和优化方法。以下对各章的内容进行简要描述。
