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3D图形渲染引擎研究背景意义及国内外研究现状.pdf

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3D图形渲染引擎研究背景意义及国内外研究现状 3D图形渲染引擎研究背景意义及国内外研究现状 1研究背景及研究意义 2国内外研究现状 2.1国内外3D引擎的研究和应用领域 2.23D图形学发展历史 2.3DirectX...............................................................................发展概况 1研究背景及研究意义 随着计算机软、硬件突飞猛进的发展，计算机图形学在各个行业的应用也得 到迅速普及和深入。随着几十年图形学的发展，计算机己进入三维时代，三维图 形在人们周围无所不在。科学计算可视化、计算机动画和虚拟现实已经成为近年 来计算机图形学的三大热门话题，计算机图形学领域的研究层次逐步深入，并以 越来越快的速度向前发展。 在计算机中，由于用图形表达各种信息，其容量大、直观方便，更符合人们 观察了解事物运动规律的习惯，所以三维图形技术在建筑虚拟、城市规划、场景 漫游、效果场景制作、城市规划、房地产开发、虚拟教育、展馆展示、古迹复原、 交通线路设计、3D游戏等各方面都有广泛的实际应用[2]。特别是近几年年，中 国的网络游戏产业目前正处于一个迅猛发展的时期，网络游戏主流也朝3D游戏 发展。目前国内的三维图形引擎开发比较落后，没有自己的品牌引擎，很多公司 用的都是国外开源引擎或付费购买。因此研究三维图形引擎中的关键技术是一次 有意义的尝试。目前该领域主要研究方向是使用数学算法将二维或三维图形数据 转化为计算机显示器的栅格形式，包括如何在计算机中表示图形、以及利用计算 机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。此外，还包括图形硬件、图 形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感 图形计算。场景渲染是三维引擎中最重要的子模块之一，负责实现基本图元的绘 制，光线处理和纹理处理等，实际上是三维真实感图形的再现过程。在许多应用 领域都对场景的实时性有很高的要求，如果达不到一定的显示速率，就会丧失实 际应用的价值。比如在3D游戏领域，美工画出精美的模型，面数多且逼真。在 游戏过程中，如果出现大量精美3D模型，3D引擎的渲染速度问题就显得尤为 突出。 2国内外研究现状 2.1国内外3D引擎的研究和应用领域 图形引擎在国外游戏引擎中的应用研究主要集中在几个大公司，3DRealms， Valve等大公司，它们研究开发三维引擎，如Quake系列和unreal系列等代表着 三维游戏引擎最新技术和发展。2000年以后，随着游戏引擎的发展，相继有多 个开源游戏引擎的组织成立，并且开发了几款优秀的开源的游戏引擎，如OGRE， Nebula等。虽然这些开源引擎的水平不及商用引擎，但其免费和开源的优势使 之拥有了一大批使用者并且流行于图形爱好者之间。 图形引擎在国外虚拟现实中的应用研究也很早。美国北卡罗来纳大学的计算 机系是VR研究最早最著名的大学。它们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手 术仿真、建筑仿真等。由Brooks教授领导的小组研制成功了第一个用于建筑设 计的虚拟建筑漫游系统，用户可以在虚拟的UNC计算机系大楼里面漫游。 美国UCBerkeley漫游工作室在建筑漫游方面的工作颇具代表性。1996年， 它们对Berkeley大学计算机系楼SodaHall进行了事前漫游，及时发现并修正了 建筑设计中存在的缺陷。SodaHall模型由1418807个多边形构成，占据21.5M硬 盘空间，使用了406种材质及58种不同纹理。由于研究小组开发了高效的漫游 引擎，实现了SodaHall在SGIPowerSeries320平台上的实时漫游。 麻省理工学院（MIT）用是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。 MIT原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学以及动画的先锋。这些技术 都是虚拟技术的基础。1985年成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。 媒体实验室建立了一个名叫BOLIO的测试环境，用于进行不同图形仿真技术的 实验。利用这一环境，MIT建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。 美国宇航局（NASA）的Ames实验室完善了HMD，并将VPL的数据手套 工程化，使其成为可用性较高的产品。NASA研究的重点放在对空间站操纵的实 时仿真上，大多数研究是在NASA的约翰逊空间中心完成的。他们大量运用了 面向座舱的飞行模拟技术。NASA完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的 仿真。 北京航空航天大学计算机系是国内最早进行虚拟研究、最有权威的单位之 一，他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物体物 理特性的表示与处理：在虚拟现实中的视觉接口开发出了部分硬件并提出了有关 算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境