基于實(shí)時(shí)全局光照的3D繪制引擎研究和開發(fā).pdf

1、最近幾年，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、3D仿真、3D電影和3D游戲等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們開始研究如何高效制作絢麗逼真的3D圖形效果，越來(lái)越多的3D繪制引擎如雨后春筍般浮現(xiàn)。目前，國(guó)外3D繪制引擎技術(shù)的水平要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)的水平，3D繪制引擎的研究對(duì)國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的3D應(yīng)用需求意義深遠(yuǎn)。本文的核心研究?jī)?nèi)容是支持GPU光柵化實(shí)時(shí)全局光照算法的3D繪制引擎技術(shù)和應(yīng)用，可以將其分為三個(gè)主要部分。
　　一、本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)擴(kuò)展性和兼容性良好的3D繪制引擎

2、HarryGE，該引擎框架包括資源管理器、場(chǎng)景管理器、場(chǎng)景編輯器和場(chǎng)景渲染器。資源管理器的主要作用是管理從外部硬盤導(dǎo)入的如模型、材質(zhì)和紋理等各類資源文件;場(chǎng)景管理器的主要作用是規(guī)劃和管理各個(gè)場(chǎng)景的元素實(shí)例;場(chǎng)景編輯器主要的主要工作是編輯各類元素實(shí)例的屬性;場(chǎng)景渲染器是本文引擎的核心模塊，它主要負(fù)責(zé)渲染每個(gè)場(chǎng)景中的元素實(shí)例，本文使用OpenGL/GLSL編程語(yǔ)言調(diào)用圖形顯卡渲染管線以實(shí)現(xiàn)渲染過(guò)程。除此之外，本文在HarryGE引擎框架上添

3、加了各類3D渲染功能和效果，包括模型及其紋理材質(zhì)導(dǎo)入和渲染、模型骨骼動(dòng)畫、隨機(jī)地形生成、天空盒渲染、3D文字顯示、3D聲音播放、煙霧及粒子系統(tǒng)效果、多攝像機(jī)漫游和全局光照效果等。
　　二、本文提出了基于GPU光柵化的光線和場(chǎng)景求交算法UGAB，該算法使用一個(gè)稀疏的均勻網(wǎng)格和三個(gè)精確的A-Buffer表示整個(gè)場(chǎng)景，然后利用3D-DDA線段掃描算法讓光線在上述場(chǎng)景表示中跟蹤相交物體，從而實(shí)現(xiàn)基于GPU的快速精確求交。除此之外，本文利用

4、該算法提出了一個(gè)基于光柵化的光線跟蹤框架，并基于該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了各類常見的全局光照算法，譬如Ray casting、Whitted ray tracing（陰影、反射和折射）、AO和Path tracing。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明本文的光線跟蹤算法UGAB能達(dá)到與Optix近似的精度，它相比基于均勻網(wǎng)格UG的光線跟蹤算法使用更少顯存獲得更快求交速度，它相比基于稀疏體素八叉樹SVO的光線跟蹤算法能避免大量迭代運(yùn)算而獲得更高求交精度，該算法結(jié)合了UG和L

5、DI算法的優(yōu)缺點(diǎn)，它具有較高求交精度和較低存儲(chǔ)消耗的特性。
　　三、本文將該3D渲染引擎應(yīng)用到人群疏散場(chǎng)景的仿真中，先提出了基于RVO改進(jìn)的全局路徑規(guī)劃人群疏散算法，該算法分為局部碰撞避免和全局路徑規(guī)劃兩部分，局部碰撞避免這部分本文使用的方法是RVO相對(duì)速度障礙物，全局路徑規(guī)劃這部分本文使用的方法是KD-Tree對(duì)場(chǎng)景空間劃分，然后結(jié)合SPFA計(jì)算個(gè)體逃離疏散場(chǎng)景的最優(yōu)路徑。在改進(jìn)的人群疏散算法基礎(chǔ)上，本文先使用HarryGE引擎