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三维漫游系统关键技术研究 摘要 随着计算机仿真、虚拟现实、三维网络游戏的发展，对三维室外场景的虚拟漫游技 术、及自然场景的实时渲染绘制技术的应用需求越来越广泛了。本文针对构建虚拟漫游 系统运用的关键技术，基于g p u 的云层渲染和可扩展的虚拟漫游平台进行了专门探讨。 本文的主要贡献有：实现了基于图形处理器( g p u ) 求解n a v i o r - s t o k e s 流体方程 和p e r l i n 噪音相结合的云层渲染算法；利用现有虚拟现实技术搭建了一个可扩展的室外 虚拟场景漫游平台。 通过在图形处理器( g p u ) 上求解n a v i o r - s t o k e s 流体方程，实现了基于物理模型 云的动态加速渲染，从而提高了计算速度，达到了实时绘制的效果。本文采用p e d i n 噪 音，实时模拟生成了不同形状云层，得到在不同p e r l i n 噪音系数下云层的形状变化，以 及云层在p e d i n 噪音系数恒定时的随机变化，实现了自然界云层的自动生长、消散，以 及云层随风飘动和随时间推移时的颜色变化的效果，提高了云层的逼真度。 本文工作主要对室外场景进行虚拟，实现了一个具有高度真实感的、第一人称交互 的室外场景漫游平台。这项工作涉及多种真实感场景的生成技术，包括树木、天空、雾 等真实感的渲染方法，并综合运用这些技术生成逼真的室外场景，通过实时交互，使得 用户能够自由观察和体验虚拟环境。本文还介绍了该平台所涉及的多项关键技术，包括 碰撞体检测技术、三维建模技术、视景裁剪技术等，并采用x m l 脚本文件加载数据实 现了平台的扩展性。 本文基于该平台实现了辽宁师范大学虚拟校园、北京部分城区虚拟漫游、以及虚拟 社区漫游，实现漫游平台的软件开发环境为v i s u a ls t u d i o2 0 0 3 和d i r e c t x3 d 。 关键词：虚拟现实g p u 虚拟漫游流体方程实时动态模拟 三维漫游系统关键技术研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，v i r t u a lr e a l i t y , 3 dn e t w o r kg a m e ， t h ea p p l i c a t i o nd e m a n d sf o r t h ev i r t u a lr o a m i n gt e c h n o l o g i e sa n d3 do u t d o o rs c e n e t e c h n o l o g i e sa f eg e t t i n gm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d f o rt h ep u r p o s eo fa p p l y i n gt h ek e y t e c h n o l o g i e so fc o n s t r u c t i o nv i r t u a lr o a m i n gs y s t e m ，t h i sp a p e ri se s t a b l i s h e do nt h er e s e a r c h b a s e do nt h eg p uc l o u dl a y e rr e n d e r i n ga n dt h ee x p a n d a b l ev i r t u a lr o a m i n gp l a t f o r m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ri n c l u d es u c ht h i n g s ：f i r s t ，t h ec l o u dl a y e rr e n d e r i n g a l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt h eg r a p h i c sp r o c e s s o r ( g p u ) t os o l v et h eu n i t e dn a v i o r - s t o k e s f l u i de q u a t i o na n dt h ep e r l i nn o i s ei sr e a l i z e da n ds o l v e d ；s e c o n d ，u s i n gt h ee x i s t i n gv i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g i e st ob u i l ta ne x p a n d a b l e o u t d o o rv i r t u a ls c e n er o a m i n gp l a t f o r m b yu s i n gg r a p h i c sp r o c e s s o r ( g p u ) t os o l v et h en a v i o r - s t o k e sf l u i de q u a t i o n ，t h i sp a p e r h a sr e a l i z e dt h ed y n a m i ca c c e l e r a t i n gc l o u dr e n d e r i n gw h i c hb a s e do nt h ep h y s i c a lm o d e l ， t h u sr a i s e dt h ec o m p u t a t i o ns p e e da n da c h i e v e dr e a l - t i m er e n d e r i n ge f f e c t i o n b a s e do nt h e p e r l i nn o i s e ，t h i sp a p e rp r o d u c e dr e a l - t i m es i m u l a t i o nc l o u dl a y e r so fd i f f e r e n ts h a p e s ，g e t t i n g t h ec h a n g e so fd i f f e r e n tc l o u dl a y e rs h a p e su n d e rd i f f e r e n tp e r l i nn o i s ec o e f f i c i e n ta n dt h e r a n d o mv a r i a t i o n so fd i f f e r e n tc l o u dl a y e r sw h e nt h ep e r l i nn o i s ec o e f f i c i e n ti sc o n s t a n t t o t h en a t u r ec l o u dl a y e r , t h i sp a p e rh a sr e a l i z e dt h ea u t o m a t i cg r o w t h ，d i s s i p a t i o na n de f f e c t so f t h ec l o u dl a y e r sf l u t t e r i n gw i t ht h ew i n da n dt h ec h a n g ec o l o r sa st h et i m ep a s tb y , a n d e n h a n c e dt h ec l o u dl a y e rf i d e l i t y t h i sp a p e rm a i n l yc a r r i e so nt h eo u t d o o rs c e n er e n d e r i n g ，a n dh a sr e a l i z e dah i g h l yr e a l ， f i r s tp e r s o ni n t e r a c t i v eo u t d o o rs c e n er o a m i n gp l a t f o r m t h i sw o r ki n v o l v e sm a n yk i n d so f v i r t u a ls c e n et e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gt r e e s ，s k y , f o gr e n d e r i n g ，a n du t i l i z e st h e s et e c h n o l o g i e s t oe s t a b l i s ha no u t d o o rs c e n e t h r o u g hr e a l - t i m ei n t e r a c t i v e ，i tm a k e st h eu s e r sh a v eaf r e e v i e wa n de x p e r i e n c eo ft h ev i r t u a le n v i r o n m e n t t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e sm a n yk e y t e c h n o l o g i e s ，s u c ha st h ec o l l i s i o ne x a m i n a t i o nt e c h n o l o g y , t h e3 dm o d e l i n gt e c h n o l o g ya n d t h ev i e wf r u s t u mt e c h n o l o g ye t c i th a sr e a l i z e dt h ep l a t f o r me x t e n s i o nb yu s i n gx m l s c r i p t d o c u m e n t st ol o a dd a t a b a s e do nt h ep l a t f o r m ，t h ep a p e rh a sr e a l i z e dt h ev i r t u a lr o a m i n go ft h el i a o n i n g n o r m a lu n i v e r s i t yc a m p u sa n db e i j i n gp a r t i a lc i t i e sa n dc o m m u n i t i e s t h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to ft h i sr o a m i n gp l a t f o r ms o f t w a r eb a s e do nv i s u a ls t u d i o2 0 0 3a n dd i r e c t x3 d k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y g p uv i r t u a lr o a m i n gf l u i de q u a t i o nr e a l t i m ed y n a m i cs i m u l a t i o n 三维漫游系统关键技术研究 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中 除特别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究 成果，其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确 的声明并表示谢意。 学位论文作者签名：一差! 室! 圭 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 薹。寥苇 指导教师签名 签名日期：年月日 4 3 三维漫游系统关键技术研究 1 1 虚拟现实技术概述 第一章绪论 虚拟现实( v t r t u a lr e a l i t y 简称v r 1 】) 是指利用电脑模拟产生一个三维空间的虚 拟世界，为使用者提供视觉、听觉、触觉等感官上的模拟，从而产生身临其境的感觉， 并从使用者的视点出发，利用自身的感官系统和自然技能，通过交互设备对虚拟世界进 行浏览和观察。虚拟现实技术将复杂或抽象的概念以一种虚拟的形式呈现在人们的感觉 空间中【2 1 。 在虚拟现实技术发展的过程中，人们逐渐形成了一种新的生存体验方式虚拟体 验。虚拟体验的出现不仅改变了人们的生活体验模式，而且给现实的社会生活带来了巨 大的冲击。虚拟现实技术有以下三方面主要特征1 3 j ： 多感知性：是说除了一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、运动感知、 甚至包括味觉感知等。 存在感：是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，使用户难以分辨 真假的程度。 交互性：是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度 ( 包括实时性) 。 目前虚拟场景漫游在实现方法上可分为两种：一种是传统的基于几何建模的虚拟漫 游技术；另一种是新兴的基于实景图像的全景技术。下面分别进行介绍： ( 1 ) 基于建模的漫游技术 基于建模的虚拟漫游技术( 又称为建模法) 以计算机图形学为基础，首先对实场景 进行抽象，用建模工具构造虚拟场景的几何模型。通过软件控制观察者的位置，在输出 设备上实时渲染绘制场景画面，从而完成对整个场景的漫游。 建模法实现的漫游系统中虚拟场景大多具有精确对应的几何模型，得到的场景不但 细腻、逼真，同时也便于用户与虚拟场景中虚拟对象的交互。 ( 2 ) 基于实景图像的全景技术【4 j 全景技术是一种基于图像绘制技术生成真实感图形的虚拟现实技术，它把相机环 绕四周进行3 6 0 度拍摄的一组照片拼接成一个全景图像，然后通过图片或者照片的缝 合，实现对场景环视和对物体的三维拖动显示，从而进一步实现全方位三维场景漫游 的效果，具有强烈的动感和影像透视效果。 全景技术能生成反映真实场景的高质量的图象环境，它不需要专业的图形加速设 备，通过真实图象完全可以生成与照片一样极具真实感的合成场景，具有很高的使用 1 三维漫游系统关键技术研究 价值，是目前研究的热点之一。 1 2 三维漫游国内外研究现状 美国北卡罗来纳大学( u n c ) 在1 9 6 2 年，由b r o o k s 教授领导的小组研制成功了第一 个用于建筑设计的w a l k t h r o u g h 虚拟建筑漫游系统。 1 9 8 0 年，美国宇航局( n a s a ) 的a m e s 实验室的大多数研究是在约翰逊空间中心完 成的，运用了面向座舱的飞行模拟技术，对哈勃太空望远镜的仿真是该实验室主要的贡 献。 1 9 9 6 年，美国u cb e r k e l e y 漫游工作室对设计中的计算机系办公楼s o d ah a l l 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。 在我国，目前许多科研机构和大学都在积极进行虚拟现实技术的研究及应用，并相 继建起了多家虚拟现实与系统仿真的研究室，努力将科研成果迅速转化实用技术。1 9 9 3 年，北京航空航天大学在虚拟现实中的视觉接口方面开发出部分硬件，实现了分布式虚 拟环境网络设计。1 9 9 6 年，天津大学在s g i 硬件平台上，基于v r m l 国际标准，最早 开发了虚拟校园。1 9 9 8 年，浙江大学c a d & c g 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，实现了立体视觉，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。2 0 0 7 年，西南交通大学致力于工程漫游方面的虚拟现实应用，跟踪 仿真领域先进技术的发展，开发出了一系列具有国际水平的计算机仿真和虚拟现实应用 产品【5 】【6 1 。2 0 0 8 年，浙江大学研制成功虚拟紫禁城，提出了虚拟环境中一种新的快速漫 游算法和一种渐进网格的快速生成算法。 同时国内兴起了很多出色的虚拟现实公司，比较典型的有中视典数字科技公司，北 京黎明视景科技有限公司，上海杰图软件技术有限公司等。 1 3 虚拟漫游关键技术一云层模拟 外形美观云层模拟算法一直是虚拟现实中的重要研究领域问题之一，也是电影、游 戏、虚拟现实漫游中的户外场景绘制的重点之一，在工业仿真系统中也有广泛的应用。 自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外众多机构和人员一直致力于具有真实感云模型的研究， 总体来说，云的建模和渲染技术具有以下特点i 7 】： ( 1 ) 云层的三维建模不确定性。自然界存在很多类型的云，不同类型的云需要不同 的建模与渲染方法，很难用确定的公式来进行定性描述，从而给云的三维建模带来了很 大困难。 ( 2 ) 云层颜色的复杂性。太阳光的照射、折射、反射等都将影响云的颜色，这些因 素的表达是真实模拟云的固有特性的关键。 2 三维漫游系统关键技术研究 ( 3 ) 云层运动的复杂性。云的运动受到自然风、大气湿度和温度等因素综合影响， 从而导致了云层的运动无规律性。 虚拟3 d 场景环境对实时性要求很高，因此许多云的绘制方法在实际应用中并不理 想。2 0 0 1 年，p a n t e l i s 8 】利用s g i 上o p e n g l 的高端特性，实现了3 d 云的实时绘制，但 这种方法只适用于s g i 工作站。2 0 0 2 年，齐越1 9 】等论述了利用p e r l i n 噪音生成云的方法， 能够按照漫游时视点的位置和方向实时绘制云的图像，但是所绘制的云还是静态的，不 适合虚拟环境中的飞行模拟。2 0 0 3 年，h a r r i s l l 0 】1 1 1 】等根据流体动力学公式建立了较好的 三维云的模型，可以很好地模拟云的动态性，但这种方式需要的计算量大，同时需要通 过改变公式参数来控制云的形状，建模时的可控性很差。 近几年图形学硬件的迅速发展，新的图形硬件可以用来加速流体方程n o v i e r - s t o k e s 的求解【1 2 1 ，并将它应用到云、烟雾等流体的计算机模拟中，从而大大加快了云层动态效 果的生成速度，可以得到逼真的云层动态模拟效果。2 0 0 4 年，w u 【1 3 j 基于g p u 实现了烟 雾的模拟，并达到了实时，效果较好。 1 4 本文研究的意义和主要内容 云层的动态模拟是一个非常重要的研究方向，和云的形态模拟相比，动态模拟要困 难的多，它既要考虑到云层受风力影响产生的随意飘动、以及随着时间变化而产生的颜 色变化，还要考虑云层的自动生长、组合和消散等自然现象。 本文提出了一种云层的动态效果模拟算法，基于图形处理器( g p u ) 求解 n a v i o r - s t o k e s 流体方程加速云层的绘制速度结合p e r l i n 噪音实现云层形状变化，可实时 模拟自然界云的动态生成，实现了云层的自动生长、消散、随风飘动、云层的颜色变化 等自然效果，该系统通过改变p e r l i n 噪音系数，既可以控制云层的形状变化，还可使云 层形状随机变化，并且通过g p u 加速了云绘制的速度，进一步完善了云层的动态效果 模拟算法。 虚拟场景的实时绘制和加速技术在虚拟社区漫游、数字化城市等方面有重要的研究 价值。由于它能以相对低廉的成本模拟场景，因而不但具有很高的使用价值，而且在某 些领域成为了不可替代的技术手段。例如由于受到传统资源的限制，人们经常不能方便 地进行各种旅游活动和体验，因此，搭建一个逼真的虚拟旅游体验环境，不仅能够提供 一种新的、便捷的、廉价的旅游体验模式，还达到了保护旅游地点生态环境的目的。 目前多数漫游系统都是针对单一场景的漫游，系统扩展性差，从而造成了较多重复 性劳动。针对漫游平台的不易扩展性和搭建平台造成的重复性劳动这一弊端，本文利用 虚拟漫游和三维建模技术搭建了一个以第一人称交互的虚拟漫游平台，实现了多项虚拟 漫游关键技术，包括碰撞体检测、视景裁剪、天空盒等。该平台引入了x m l 脚本文件 3 三维漫游系统关键技术研究 加载数据扩展了平台的使用，较好地实现了室外场景虚拟漫游，并通过调整用户的不同 视角和观察方位，增强系统的沉浸感。 1 5 后续章节安排 本文后续章节安排如下： 第二章，主要介绍了本文用到的一些基础理论知识和技术，例如g p u 渲染流程、 g p u 编程、d i r e c t x 技术、3 ds t u d i om a x 等。 第三章，介绍本文的贡献之一：基于g p u 求解n a v i o r - s t o k e s 流体方程，结合p c r l i n 噪音生成具有一定真实感的云。利用g p u 的运算能力来提高云层的绘制速度，基于 p e r l i n 噪音实时模拟了不同形状云层的生成，实现了云层的自动生长、消散等动态效果， 以及在风力的作用下云层的运动模拟和云层在不同时间段的颜色变化，更加逼真的模拟 了自然界的云。 第四章，介绍本文的另外一个贡献：构建一个可扩展的虚拟漫游平台。该章系统地 介绍了搭建虚拟漫游系统平台所用到的关键技术与实现方法，其中包括三维场景建模技 术、碰撞检测技术、视景体裁剪技术等。在平台中引入了脚本文件加载数据扩展了平台 的应用，并且在场景中加入了不同天气效果( 比如雾) 的渲染，基于该平台实现了辽宁 师范大学校园漫游、北京城区漫游、以及虚拟社区漫游。 第五章，总结了基于g p u 模拟生成云动态效果算法以及利用虚拟现实技术构建的 虚拟漫游平台，最后对云层的三维真实感模拟和虚拟漫游平台进行了展望，提出了下一 阶段需要做的工作。 4 三维漫游系统关键技术研究 2 1g p u 可编程渲染管线 2 1 1g p u 特点 第二章基础理论和技术 近年来，计算机图形处理器( g p u ，g r a p h i c sp r o c e s s i n gu n i t ) 正在以三倍于摩尔 定律的速度发展，极大地提高了计算机三维图形处理的速度和质量，同时促进了图像处 理、虚拟现实、计算机仿真等相关应用领域的快速发展，也为人们利用g p u 进行图形 处理以外的通用计算提供了良好的运行平台。 g p u 应用领域的拓宽与其硬件发展有着极大关系。g p u 自1 9 9 9 年首先由n v i d i a 公司提出后，就其发展的速度而言，是c p u 更新速度的三倍。从1 9 9 3 年开始，g p u 的性能以每年2 8 倍的速度增长。目前，图形处理器已经经历了五代发展。2 0 0 4 年， n v i d i ag e f o r c e6 8 0 0u l t r a 处理器峰值速度可达4 0 g f l o p s ( f l o a t i n g p o i n to p e r a t i o n s p e rs e c o n d 每秒所执行的浮点运算次数) ，对比i n t e lp e n t i u m43 0 g h z ，采用s s e 2 指令 集也只能达到6g f i d p s 。n v i d i a 最新发布的g e f o r c e8 8 0 0 图形处理器集成了6 8 亿 个晶体管，拥有1 2 8 个流处理单元，其峰值运算能力超过3 4 0 g f l o p s ，而i n t e l 最新的 p e n t i u m 4c o r e 2e x t r e m ex 6 8 0 0 只有4 6 8 8 g f l o p s 。 随着图形处理器( g p u ) 性能的大幅度提高，实时三维图形绘制在g p u 的处理流水 线上进行具有很高的效率： ( 1 ) 高效的并行性：这一功能主要是通过多个渲染管道和r g b a 4 个颜色通道同时 计算来体现的。 ( 2 ) 高度密集的运算：图形卡内部的内存接口位宽远远大于c p u 上的位宽，相对于 c p u 来说，g p u 更适应传输大块的数据。 ( 3 ) 减少了g p u 与c p u 的数据通信：可以将c p u 解放出来做其他的处理任务。因 此g p u 也被认为是一个s i m d 的并行机或者流处理器，可以用于处理大规模数据集， 使应用得到加速。 2 1 2g p u 渲染方式 传统的三维图形管道渲染方式虽然简化了开发流程，但由于处理模式非常固定，处 理过程缺乏灵活，开发人员难以实现更加复杂效果的三维模拟，束缚了三维图形开发的 性能提升与品质效果。 当今图形硬件设计上最明显的趋势是在图形处理器内提供更多的可编程性。在g p u 5 三维漫游系统关键技术研究 编程渲染机制中，以顶点着色器代替管道渲染方式中的模型变换、光照计算以及投影变 换等环节，在顶点着色器中通过h l s l 语言实现对每一个顶点的操作序列，可以灵活的 计算光照、处理投影以及其它诸方面的计算。由于在g p u 中采用流水线数据传递机制， g p u 会自动地将所有顶点数据( 包括位置坐标、法向量、颜色、纹理坐标等) 并行地 送到顶点着色器进行完全相同方式处理。由于采用了流水线数据传输方式，不需要像以 前那样在显存中划定专属的存储区来保存点数据，因而它的存储区是完全开放的，可以 更加方便地实现着色程序的开发。 图2 1 可编程图形流水线渲染流程 可编程图形处理器的渲染管道图2 - 1 下方部分就是可编程图形处理器中的可编程部 件。运行于顶点处理器之上的程序称为顶点着色程序( v e r t e xs h a d e r ) ，它们的工作是 进行几何变换和光照计算等操作。运行于片元处理器之上的程序称为片元着色程序 ( f r a g m e n ts h a d e r ) ，它们的工作是进行纹理混合等操作。顶点着色程序的输入是顶点 流，输出是处理后的顶点流。后者经固定的光栅化模块进行三角形组装和光栅化处理后 用于生成片元流送入片元着色程序。片元着色程序访问纹理，进行纹理混合并最终计算 出片元的颜色与深度信息送入后续流水级以进行透明、深度、模板与雾化等操作。一个 图形处理器中一般包含多个顶点处理器和多个片元处理器。 2 1 3 顶点着色器 顶点着色器( v e r t e xs h a d e r ) 是在显卡的g p u 上执行的程序，它替换了固定功能 管道( f i x e df u n c t i o np i p e l i n e ) 中的变换和光照( 也可以通过软件模拟实现) 顶点着色 器在图形渲染效果方面获得了极大地自由性。 顶点着色器是g p u 构建三维空间顶点的手段。顶点( v e r t e x ) 是几何图形中的基本 元素，三个顶点能构成三角形，并且一定数目的三角形可以组成不同规模和复杂程度的 空间物体。每个顶点都包含着许多信息，首先是x 、y 、z 这些3 d 坐标位置、颜色， 还包括它的法线、纹理坐标等等。g p u 顶点渲染单元主要的任务是计算出这些顶点所 包含的各类信息。经过顶点渲染的处理后，得到的是经转换并且照明的顶点。下一步是 6 三维漫游系统关键技术研究 裁剪，将场景之外的顶点裁剪掉。接着是背面剔除，把从视角看不见的那些顶点去掉。 最后由像素渲染( p i x e ls h a d e r ) 结合色彩、光源和纹理等信息，计算出每个像素的最终 颜色，将真实的3 d 场景换成屏幕上的2 d 场景。 2 1 4 像素着色器 像素着色器是在对每个像素进行光栅化处理期间在g p u 上执行的程序。它替换了 多纹理化阶段。像素渲染( v e r t e xs h a d e r ) 可以完成对每个像素的纹理混合，取代了固 定图形处理流水线中的多重纹理混合，包括：纹理取样、计算纹理坐标与相应颜色、混 合光照、物体材质与纹理的效果。它与v e r t e xs h a d e r 协同工作，v e r t e xs h a d e r 的输出经 过一定的处理后成为p i x e ls h a d e r 的输入l l 4 。 p i x e ls h a d e r 会处理每一个将要渲染到屏幕的像素。但这并不是屏幕上的每一个像 素，而是将要渲染到屏幕的图元的每一个像素。像素必须经过透明度、深度、s t e n c i l 测试才能最终变成绘制在屏幕上的像素。 2 1 5s h a d e r 语言 s h a d e r 语言就是为g p u 中的顶点处理器( v e r t e xs h a d e r ) 和像素处理器( p i x e l s h a d e r ) 编写并且运行于g p u 的程序。随着图形处理硬件的发展，其能够进行处理的 范围已经不只是对模型表面着色进行控制，在现在的图形处理器上可以对输入的顶点信 息进行坐标变化、位置变换，和一定程度上的动画功能。可以对渲染中的雾模型和光照 模型进行计算处理。s h a d e r 语言是面向g p u 进行图形绘制的专用语言。 s h a d e r 语言可以分为以下几类： ( 1 ) 按照语言的层次，可分为汇编s h a d e r 语言和高级s h a d e r 语言。汇编s h a d e r 语 言比较低级，对开发使用人员要求比较高，开发效率低；现在的高级s h a d e r 语言在语 法结构上与c 语言有着很大的相似性，如有着类似的条件判断语句、循环结构语句， 可以编写函数来实现部分绘制功能的模块化。但同时也有着一些更高级语言，如c + + 语言的一些特性，支持函数的重载。高级s h a d e r 语言更易于编写调度，易于实现代码 重用。 ( 2 ) 按照绘制的实时性，可分为非实时绘制的s h a d e r 语言和实时绘制的s h a d e r 语 言。非实时绘制的语言出现较早，其侧重点在于通过绘制产生具有高度真实感的画面， 其采用软件来进行绘制中的计算，通常每帧的绘制需要数个小时。如r e n d e r m a n 中使 用的绘制语言，在电影制作中有着广泛的应用，并取得了很好的绘制效果。 s h a d e r 语言是随着图形处理器硬件的发展而出现的，目前主要c g ，h l s l 和g l s l 正在获得越来越广泛的使用，而且通过使用它们编程才能充分的利用当前图形处理器的 7 三维漫游系统关键技术研究 绘制处理能力。随着图形硬件的不断发展，实时s h a d e r 语言还会不断更新，并与图形 硬件的发展是互动的。 s h a d e r 语言提高了实时绘制程序的开发效率。首先，s h a d e r 语言具有更好的可重用 性；其次，可以通过函数调用的方式来封装复杂的绘制计算，进一步地提高了绘制程序 开发效率。 s h a d e r 语言提供了一个统一的绘制平台。我们可以采用实时绘制语言在各种不同的 底层硬件平台上建立一个统一的绘制描述平台，因此，实时绘制语言可以大大地提高在 可编程图形硬件上开发程序的可移植性，进而推动实时绘制技术的发展。 s h a d e r 语言可以同d i r e c t x 、o p e n g l 结合使用，共同完成高质量图形的渲染处理。 2 2d i r e c t x 基础 d i r e c t x 是m i c r o s o f t 开发的基于w i n d o w s 平台的一组a p i ，它的渲染流程如图2 2 所示： w i n d o w s 应用程序 上 d i r e c t 3 d 弋7 h a l 设备 上 图形设备 图2 2 应用程序、d i r e c t 3 d 以及硬件之间的关系图 d i r e c t 3 d 应用程序最终通过h a l ( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) 硬件抽象层访问图 形设备。由于h a i ，存在，d i r e c t 3 d 将可以不需要了解某个设备的具体硬件特性，使它 能独立于硬件设备。d i r e c t 3 d 提供了相应的方法在运行时检查设备是否能执行某项操 作。 d i r e c t x 由许多组件构成，它抽象了视频、音频、输入、网络等功能。下面主要介 绍几个重要组件的功能【1 5 l ： ( 1 ) d i r c e t 3 d 8 三维漫游系统关键技术研究 d i r e c t 3 d 简称d 3 d ，集成了开发d i r e c t x 程序三维图形部分的所有a p i 函数，它是 d i r e c t x 最重要也是最复杂的一个组件，并且为大多数新视频适配器内置的3 d 调色功 能提供界面。d i r e c t 3 d 包含专用c p u 指令集支持，从而可为新型计算机提供进一步加 速支持。d i r e c t d r a w 和d i r e c t 3 d 合并在一起称为d i r e c tg r a p h i c s 。 ( 2 ) d i r e c t l n p u t d i r e c t i n p u t a p i 提供了对应用程序的所有输入设备的支持，包括键盘、鼠标、手柄、 操纵杆在内的其它相关设备的输入。 ( 3 ) d i r e c t p l a y d i r e c t p l a ya p l 支持通过调制解调器、i n t e m e t 或局域网连接游戏。d i r e c t p l a y 简化 了对通信服务的访问，并提供了一种能够使游戏彼此通信的方法而不受协议或联机服务 的限制。d i r e c t p l a y 提供了多种游说服务，可简化多媒体播放器游戏的初始化，同时还 支持可靠的通信协议以确保重要游戏数据在网络上不会丢失。d i r e c t p l a y8 0 的新功能即 支持通过网络进行语音通信，从而可大大提高基于多媒体播放器小组的游戏的娱乐性， 同时该组件还通过提供与玩游戏的其他人对话的功能而使团体游戏更具魅力。 ( 4 ) d i r e c t d r a w d i r e c t d r a w a p l 支持快速访问计算机视频适配器的加速硬件功能。它支持在所有视 频适配器上显示图形的标准方法，并且使用加速驱动程序时可以更快更直接地访问。 d i r e c t d r a w 为程序( 如游戏和二维图形程序包) 以及w i n d o w s 系统组件( 如数字视频 编解码器) 提供了一种独立于设备之外的方法来访问特定显示设备的功能，而不要求用 户提供设备功能的其它信息。 ( 5 ) x l n p u t x l n p u t 组件是在2 0 0 5 年1 0 月更新版的d i r e c t x9 0 c 版本中提供的。x l n p u t 是一套 a p i ，用于接收来自x b o x 3 6 0 游戏机控制器的输入，从而使应用程序可以和连接在 w i n d o w sp c 上的x b o x 3 6 0 控制器进行交互。 ( 6 ) x a c t x a c t 是微软跨平台音频创建工具，是一个音频设计工具和相关的a p i 接口函数。 x a c t 使应用程序设计者和音频内容设计者共同协作，为游戏创建颤动声音效果。 2 3 虚拟场景中的l o d 关键技术 2 3 1 技术概述 l o d ( l e v e lo fd e t a i l ) 技术的产生可以追溯到1 9 7 6 年，c l a r k 给出了一个用于可 见面判断算法的几何层次模型，以便对复杂场景进行快速绘制【1 6 】。1 9 8 2 年，c r o w l l 7 1 用 实例给出了同一物体采用不同的细节层次模型描述所具有的优点，并指出应自动生成同 9 三维漫游系统关键技术研究 一物体的多层次细节模型。 二十世纪九十年代初，图形学方向上派生出了虚拟现实和科学计算可视化等研究领 域，而计算机所提供的计算能力往往不能满足复杂三维场景的实时绘制目的，因而研究 人员提出多种图形生成加速方法【1 8 】，l o d 模型是其中一种主要方法。 在多细节层次模型自动生成方面，国际上己开展了一些研究工作。2 0 0 3 年，k a l v i n l l 9 j 提出了面片合并方法自动生成物体的简化模型。 l o d 是一种使用多边形的，真正的3 d 渲染技术。它根据一定的规则来简化物体的 细节，可以根据需要来选择不同细节程度的物体表达方式。离观察者近的选择较高的细 节程度、反之选择较低的细节程度。 l o d 技术是通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘 制算法的效率【刎。该技术通常对同一原始多面体模型建立不同逼近精度的几何模型，与 原模型相比，每一个模型均保留了一定的层次细节。这样，在生成场景时，可以根据视 线的主方向、视线在场景中的停留时间、景物离视点的距离及景物在画面上投影区域的 大小等因素，来综合决定景物应该选择的细节层次，从而避免了不必要的数据计算。在 保证实时图形显示的前提下，较好地协调场景真实感与绘制速度的矛盾，最大程度地提 高了视觉效果i z 。 2 3 2l o d 模型的选择 恰当地选择l o d 细节层次模型，能在不损失图形细节的条件下加速场景生成，提 高系统的响应能力。选择的方式大致可以分为四类【2 2 j ： ( 1 ) 基于物体的空间位置关系：在一些特定的情况下，场景中一部分几何形体是不 被观察者所看到的，图形系统在这种情况下不再绘制这部分物体；物体的观察者的距离 越远，能被观察到的细节部分就越少，这就意味着选择较粗糙的细节层次来表示物体不 会对细节的逼真度产生大的影响。因此，可以省去这些细节的绘制。 ( 2 ) 基于人眼的视觉特性：人眼辨识物体的能力随着物体尺寸的减小而减弱，因此， 可以根据物体的大小选择不同的细节层次。而且，人眼辨识物体的能力随着物体远离视 域中心而减弱，视网膜对中心的物体细节的分辨能力较强，因此，可将显示的场景分为 具有较精细的层次细节的中心部分和外围部分：还可以根据眼睛的焦距来为焦距区域前 面或后面的物体选择不同的细节层次。 ( 3 ) 基于物体的运动特性：运动物体相对观察者的速度决定了人观察到的清晰程 度，因此，可以根据运动速度的不同来选用不同的细节层次。 ( 4 ) 基于帧频率：保持恒定、稳定的帧率对于良好的交互性能是非常重要的，一旦 选定帧率，就要保持恒定，不能随场景复杂度的变化而变化。 1 0 三维漫游系统关键技术研究 2 4 3 ds t u d i om a x 概述 3 d sm a x 是由美国a u t o d e s k 公司旗下的d i s c r e e t 公司开发推出的基于个人电脑的 三维动画设计和制作软件。早在其它的三维制作软件还只是大型工作站所特有的软件 时，3 ds t u d i o 就率先将以前仅能在大型工作站上运行的三维造型与动画制作软件移植 到微机电脑硬件平台上，这种最初的软件定位，使得该软件一经推出就受到广大设计人 员和爱好者的欢迎，获得了广泛的用户支持。 3 ds t u d i om a x 是当今运行在p c 机上最畅销的三维动画和建模软件，为影视和广告 制作动画制作人员提供了强有力的工具：极为精彩的图形输出质量和快速的运算速度， 任意的动画和广泛的特殊效果，还包括丰富的友善的开发环境，具备独特直观的建模和 动画功能以及高速的图像生成能力。 三维漫游系统关键技术研究 第三章基于g p u 的云层绘制方法 本章的贡献是云的生成。通过在图形处理器g p u ( g r a p h i c sp r o c e s s i n gu n i t ) 上求 解n a v i o r - s t o k c s 流体方程实现云的动态加速绘制，基于p e r l i n 噪音实现云层形状随机变 化，并且模拟了云层在风的驱动下飘动、云层自动生长、消散，以及在不同时间段的云 层颜色的变化。 本章工作已运用在虚拟网络马拉松场景和虚拟漫游系统中。 3 1 云层实现理论基础 为了模拟流体，必须有一个数学表达式，以表示任何给定瞬间流体的状态。流体的 速度是最重要的量，流体模拟的关键是正确地、及时地决定当前的速度场。假定云是一 种不可压缩的均匀的流体，我们引入了纳维斯托克斯方程( n a v i o r - s t o k e s ) ，简称n s 方程。n s 方程描述如下： 罢。一i l l v ) u 一三勖+ v v 2 u + f ( 3 1 1 ) 优p v u 。0( 3 1 2 ) 在这里p 是流体密度系数，p 是流体的粘度系数，f 是一个矢量，表达式为： f i ( f x ，f ，) 代表作用于流体的外力。“代表速度场，p 代表了压力场，这是用来描述整 个流体的两个基本变量，随着时间和空间的变换而变化。将速度场u 分解，则有 u = u i + v j ，将其和f - ( f x ，f y ) 代入方程( 3 1 1 ) 式可得到下面的式子： o u ，。一 v ) u 一三即+ v v 2 u + 兵 口z p o 优v - ( u 吖) 卜吉印4 - v v 2 u 4 - 结合前面的方程：v u = 0 ，有3 个未知量( u ，v ，p ) 和3 个方程。上述的n a v i o r - s t o k e s 方 程并不容易求解，需要应用一些计算流体力学的方法计算出一定初始条件和边界条件下 在不同时刻数值的变化情况。方程( 3 1 1 ) 右边的方程分别反映了影响流体运动的四个 重要因素： ( 1 ) 水平对流：流体的速度使得流体沿着流动传送物体、密度和其他的量，可以将 流体想象成是由一个个粒子组成的。任意一个粒子的运动随着速度场的改变而在不断变 化。这是方程( 3 1 1 ) 右侧似v 所反映的物理原理。 ( 2 ) 压力：流体的分子能够彼此运动，云也是由气体分子组成的。在分子运动的过 三维漫游系统关键技术研究 程中当外力施加于云分子时，外力不是立即传导到整个云流体，而是离外力近的分子把 那些远一点的分子推开，从而产生压力，压力是在单位面积上产生的，在流体上的压力 自然地产生加速度