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1、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2.2 3D图形学发展历史2.3 DirectX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
2、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
3、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，3D Realms，V
4、alve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UN
5、C计算机系大楼里面漫游。美国 UC Berkeley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 Soda Hall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Soda Hall在SGI Power Series320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。
6、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
7、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网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。近期，北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术研究室开发了虚拟北航校园项目，并设计实现了虚拟环境漫游引擎。在配置Voodoo2图形加速卡的PII266微机平台上，漫游引擎驱动了一个由10万个三角形构成的北航校园模型，其交互仿真率保持在15帧/秒以上。为了验证漫游引擎的通用性，还先后将漫
8、游引擎用于房地产项目虚拟恒昌花园及虚拟珠穆琅玛峰等漫游应用中。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。浙江大学开发的虚拟紫禁城项目就是虚拟环境漫游的研究成果。2.2 3D图形学发展历史人们对图形软件系统的真正研究始于1961年Sutherland开发的Sketchpad图形系统4，Sketchpad可以通过使用手持物体(如光笔)直接在显示
9、屏幕上创建图形图像。可视的图样随即被存入计算机内存，它们可以被重新调用，并同其他数据一样可以进行后期的处理。接下来，图形学技术的发展一发不可收拾。二十世纪60年代早期，发明了线框模式的渲染；二十世纪70年代早期，Wamock，Watkins发明了flat着色方式和隐藏面算法；1971年的Gouraud Shading(高洛德着色)方法；1972年的又出现了Phone Shading(补色着色)方法；1974年Catmull发明了ZBuffer隐藏面算法；1974年Catmull首先使用了纹理贴图方法；1976年信号处理首次被用于图形学中的反走样；1976年发明了反射纹理贴图(reflectio
10、n mapping)；1978年Blinn发明了凹凸纹理贴图(Bump mapping)；1978年Catmull和Clark发明了表面细分方法：二十世纪70年代末，Crow和Williams将硬阴影算法应用于图形程序中；1983年Williams提出了用Mipmapping用于纹理贴图的反走样的方法；1984年Miller和Hoffman发明了光照贴图；1985年出现了着色语言；1988年出现了体绘制技术(VolumeRendering)(Drebin)；1990年Renderman软件开发完成； 1990年早期，出现了NPR渲染技术，即非真实渲染；1993年NVIDIA公司成立；1994年
11、Sony公司推出了视频游戏机PS；1997年Nvidia推出了Riva 128，是第一代商业3D GPU；2000年Sony公司推出了PS2；2001年NvidiaNV20，第一款可编程GPU；2001年Proudfoot发明了3D实时渲染着色语言；2001年微软开发发布了Xbox；2005年微软开发发布了Xbox360；2006年Sony公司发布了SP35。由此看来，图形技术正以不可想象的速度在发展着，新技术层出不穷。与此同时，GPU硬件技术也以超过了CPU技术的发展速度。1992年出现了固定功能渲染管线，1998年出现了多重纹理贴图，1999年在NVIDIA显卡中出现了寄存器组合器，200
12、1年出现了顶点和像素着色器。现在，GPU的处理能力已经完全可以供我们渲染实时并且真实的虚拟世界。2.3 DirectX发展概况DirectX作为一个用于多媒体应用程序和硬件增强的编程环境，它是微软为了将其Windows建设成适应各种多媒体的最好平台而开发设计的。DirectX目前已经成为微软自身SDK的一部分，Windows98、Me、2K、XP、2003内都集成了DirectX，表明它已经成为了操作系统的一部分。在DirectX出现之前，硬件制造商设计一个全新的多媒体产品后， 必须考虑到它可以搭配其他的硬件设备一起使用，所以在编写驱动程序的时候就要对市面上林林总总的各式硬件产品进行全面的汇总调查，然后再将这些硬件特性与自己的产品融合到一起，因此编写一个驱动程序非常麻烦，而且没准在使用的时候还会出现硬件不兼容的情况。但是DirectX的出现就彻底改变了这一局面，因为它拥有一个硬件抽象层，简单的说就是可以直接让游戏、软件程序和硬件来进行数据传输，从而改变了硬件之间兼容性的问题。当前，DirectX平台所依赖的渲染管道构架已经取得了重大发展。最近5年中，随着从固定管道到可编程管道的过渡，发生了许多戏剧性的变化。虽然变化的进程很快，但每一步都反映出了设计者在通用性、性能以及成本上所做出的进步。
