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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于OpenGL的大规模场景实时渲染技术的研究 姓名：刘明 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：刘玉 20070607 I 摘摘 要要 虚拟现实技术在最近几年发展迅速，其应用领域涉及到医疗、军事、制造等行 业。三维动画渲染技术是虚拟现实技术的核心之一。渲染是三维计算机图形学中的 最重要的研究课题之一，并且在实践领域与其它技术密切相关。在图形流水线中渲 染是最后一项重要步骤，通过它得到模型与动画最终显示效果。自从二十世纪七十 年代以来随着计算机图形的不断复杂化，渲染也越来越成为一项重要的技术。 本文以华中科技大学电信系与广东科学中心合作的重点项目中的子
2、项目 “捕捉文字虫”为课题背景，对于如何提高实时三维动画渲染效率进行了深入的研 究，在实践的基础上总结出一些有效的大规模场景渲染技术并结合 OpenGL 编程实 现。本文首先介绍了相关的理论基础，包括 3D 计算机图形学、OpenGL 图形编程和 基于 GPU 的图形编程技术，然后给出了整个系统的构架设计和场景动画渲染模块的 详细设计。接着讨论了场景动画渲染模块的关键技术。 本文实现了基于显示列表的静态物体显示，并设计了静态物体模型中非模型顶 点处的法向矢量和海拔高度的计算算法；还设计了基于 GPU 顶点运算能力的大规模 波动草叶动画渲染程序，分担了 CPU 运算负担，有效提高了渲染效率；提出
3、了基于 GPU 片元运算能力的静态阴影蒙图技术，在保证渲染效率的基础上，实现了较好的 静态物体阴影效果；利用 LOD 的思想，设计了大规模波动草叶动画的 LOD 算法， 在对动画效果影响较小的基础上，大大提高了渲染效率。 这些渲染技术都已用 OpenGL 编程实现，实验测试结果证明达到了较好的动画 视觉效果和较高的实时渲染效率。 关键词：关键词：OpenGL 编程 图形处理单元 静态阴影蒙图 层次细节 II Abstract Virtual Reality (VR) Technology is developing so fast nowadays. It is widely used in
4、medical, military, manufactory industry an so on. 3D animation rendering technique is one of the core techniques of VR. Rendering is one of the most important research area in 3D animation rendering techniques. It is also the last process in the graphic pipeline. The last display effect if generated
5、 by it. Computer graphic is becoming more and more complex since the 20th century, and rendering is becoming an important technique. This thesis takes the project “Catching Insects“, which is one of the child projects in the key project, cooperated by Guangdong Science Center and EI department in Hu
6、azhong University of Science and Technology, as a background. I made a deep research on how to improve the rendering efficiency in real-time 3D animation and found several available techniques in the practice. This thesis will first give a brief introduction on the base of the theory, including 3D c
7、omputer graphics, OpenGL programming and GPU based graphic programming technologies. Then the architecture design and the particular design of the scene rendering module will be presented. After that, in the theory basement, this thesis will introduce every detail of the key techniques in the scene
8、rendering module. This thesis first realized the static model rendering by display list technique, and designed the algorithm for calculating the normal vector and height above see level in the non model vertex point. Then it designed the large-scale waving grasses rendering program make use of the
9、GPU vertex processor, so that to share lighten the work for CPU and to improve the rendering efficiency. It also invented the static shadow masking technique make use of the GPU fragment processor. It achieved a quite good effect of shadow for static object in the premise that the rendering effect i
10、s not affected. This thesis designed a LOD algorithm for the waving grass animation. It improved the rendering efficiency greatly with only slight reduce in rendering effect. III These rendering techniques have all been realized by OpenGL programming and it is proved that they can achieve pretty goo
11、d vision effect and real-time rendering efficiency. This thesis also gave the system test results and the analysis for the results. Keywords: OpenGL Programming Graphic Process Unit (GPU) Static Shadow Masking Level of Detail 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包
12、含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书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，即：学校有 权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。 本人授权华中科技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。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”
13、 ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪绪 论论 1.1 课题背景课题背景 虚拟现实1（Virtual RealityVR）简单的说是一种可以创建和体验虚拟世界的 计算机系统2。作为一门先进的人机交流技术， 虚拟现实技术已被广泛应用于视景仿 真、军事模拟、虚拟制造、虚拟设计、虚拟装配、科学可视化等领域。 虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方 式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的 飞跃。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任 何事物或环境，
14、它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法 实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成 的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并 操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。 随着虚拟现实技术的发展和普及，几乎所有的科技馆都将之作为高科技展示的 亮点之一。虚拟现实的展项不仅给人以丰富的视觉、听觉等感官冲击，而且具有丰 富的交互性，非常容易给人留下深刻的印象。 华中科技大学电信系 2006 年与广东科学中心合作的重点项目中，本人所在的科 研小组负责了数字乐园展区中的一个展项“捕捉文字虫”。该展项是集三维动 画
15、和目标识别技术为一体的虚拟现实游戏展项，在白色的投影屏幕上显示渲染出包 含飞舞着昆虫的三维场景，使参与者从中能够感受到较为真实的虚拟三维效果，并 能够在这片虚拟场景中使用捕虫网捕捉虫蝶，被捕中的昆虫变成相应的文字，并逐 渐消失。 1.2 三维动画渲染技术简介三维动画渲染技术简介 三维动画渲染技术3是虚拟现实技术4的核心之一。渲染是用软件从模型生成图 2 像的过程。模型是用严格定义的语言或者数据结构对于三维物体的描述，它包括几 何、视点、纹理以及照明信息。图像是数字图像或者位图图像。 渲染是三维计算机图形学中的最重要的研究课题之一，并且在实践领域它与其 它技术密切相关。在图形流水线中渲染是最后一
16、项重要步骤，通过它得到模型与动 画最终显示效果。自从二十世纪七十年代以来随着计算机图形的不断复杂化，渲染 也越来越成为一项重要的技术。 1.2.1 预渲染与实时渲染 三维计算机图形渲染可分为预渲染和实时渲染。预渲染一般是固定光源和物体 的材质参数，通过其他的辅助工具，把光源对物体的光照参数输出成纹理贴图，在 显示的时候不对物体进行光照处理，只进行贴图计算。预渲染可以借助复杂的高效 果的工具，对场景进行精细的长期的渲染，然后在浏览的时候直接利用这些以前渲 染的数据来绘制，从而可以在保证渲染的速度的同时获得很好的渲染质量。但是缺 点是，不能很好的处理动态的光源和变化的材质，在交互性比较强的环境当中无法 使用。预渲染的计算强度很大，通常是用于电影制作。 实时渲染经常用于三维视频游戏，通常依靠带有三维硬件加速器的图形卡完成 这个过程。实时渲染就是每一帧都不假设任何条件，都是针对当时实际的光源，相 机和材质参数进行光照计算常见的有 D3D5，OpenGL 的光照计算。因为实时渲 染的每一帧都是根据条件即时计算出来
