（计算机软件与理论专业论文）基于高级渲染器renderman的水流材质系统的研究与设计.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 中文摘要 随着计算机硬件和多媒体技术的发展，计算机三维动画的应用领域和应用程度 在不断提高，在军事仿真、建筑景观设计、虚拟现实、医疗卫生、娱乐和教育等众 多领域得到广泛的应用。 在三维动画制作过程中，材质( s h a d e r ) 是视性属性的综合体现，是表现视觉 艺术效果的关键之一。但是主流计算机三维动画软件，例如m a y a 、3 d m a x 等存在着 局限性，这主要是由于它们大众软件缺乏针对性特性决定的，例如渲染速度局限性 和没有针对专门动画片特别设计，三维模型表面的材质种类单一，可交互性差，可 控参数的数量和种类少，因此，在第三方渲染器中设计新的材质以提高渲染速度和 效益有很重要的意义。 r e n d e r m a n 是一款在好莱坞的动画片中广泛应用，技术成熟并提供接口扩展的 一流渲染器。本文通过对r e n d e 硼a n 的r s l ( r e n d e r m a ns h a d i n gl a n u a g e ) 技术研究， 结合物理学、图形学、数学和计算机编程等多个领域的研究，设计一个基于 r e n d e r m a n 的包含海水、湖水、溪水和泳池水的水流材质系统。该系统结合m a y a 等 三维设计软件应用于三维动画制作，有很广阔的应用前景。 论文详细介绍了该系统的设计方案与各子模块的开发过程，包括海水模块、湖 水模块、溪水模块和泳池水模块。各个模块都采用软件技术实现，采用r s l 、随机 过程理论和图形学等技术，在硬件方面要求低，不需要对现有的硬件多任何的投资。 因此，系统成本低、速度快。根据该设计方案，本论文完成了该系统的开发工作， 实现了包含海水、湖水、溪水和泳池水的水流材质系统。试验证明有良好的速度和 视觉效果。 关键词：r e n d e r m a n ；s h a d e r ；r s l ；分形；傅里叶；光线追踪 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rh 砌w a r ea n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，c o m p u t e r 3 dc a n o o nb e c o m e sw i d e l yu s e di nb a l t l e f i e l ds i m u l a t i o ，l a n d s c 印i n g ，v i s u a lr e a l i 饥 m e d i c a la i l ds a i l i t a t i o n ，e n t e i r t a i 瑚m e ma n de d u c a t i o ne t c d u r i n gi m p l e m e n t i n gt h e 也r e e d i m e n s i o n a lc a r t o o n s ， s h a d e r sa r eo n eo ft h e i m p o r t a n tk e y si na n i s t i ce n e c t b u tf o rt h el o c a l i z a t i o nw h i c hd e t e m i n a t e df o ri t s p o l u l a t i o ns u c ha sr e n d e rs p e e da n dn oc u s t o m i z a t i o nf o rs p e c i a lp r 巧e c t ，t l l ek i n do f t h e s h a d e r sf o rt h e3 dm o d e la r ep o o r ，a n d1 0 wi n t e r a c t i v ec a p a b i l i t ) ri nm em a i ns o f h v a r e s u c ha sm a y ao r3 d m a x t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt 0u p d a t et h er e n d e rs p e e da n db e n e f i t w h e nd e s i g nn e ws h a d e rs y s t e mi nt h et h i r d p a n yr e n d e r s r e n d e m a i li sar e l l d e r i n gs o f c w a r eu s e dw i d e l yi nh o l l y 、v o o dw i t hi t sa d v a n t a g e sa s b e l l o w s ：a 筋r d i n gi n t e r f - a c ee x t e n s i o n ，h l v i n gn l a h l r et e c l m o l o g y ：t h ep a p e rd e s i g n e da s t r e 锄s h a d e rs y s t e mi n c l u d i n gs e aw a t e rm o d u l e 、 l a l 【ew a t e rm o d u l e 、b r o o kw a t e r m o d u l e 甜l dn a t a t o r i 眦w a t e rm o d u l ei nr e n d e m l a nb a s e do nt h er e s e a r c hi ni b l t e c h o n o l g yc o m b i n e dw i mp h y s i c s 、c o m p u t e r 伊a p h i c s 、m a t h s 、a e s t l l e t i c s 、c o m p u t e r p r o g r a j 砌i n g t 1 1 es y s t e mh a sb r o a da p p l i c a t i o nf o r e 莎o u i l dw h e nc o n l b i n e dw i m3 d s o r w a r es u c ha sm a y ai nd e s i g n i n g3 dc 矾o o n t h ed e s i g no ft h es y s t e ma 1 1 dt h er e a l i z a t i o no fm o d u l e si n c l u d i n gs e aw a t e r m o d u l e 、l a k ew a t e rm o d u l e 、b r o o kw a t e rm o d u l ea r l dn a t a t o r i u i nw a t e rm o d u l et h a t 、v e r e d e p i c t e di nt l l i sp a p e r a no fm em o d u l e sa r ea c c o m p l i s h e db ys o 小v a r et e c l l i l o l o g y 埘t h u s i n gr s l ，s t o c h a s t i cp r o c e s st h e o r ) r a l l dc o m p u t e rg r a p m c s b e c a u s eo fm el i t t l e i r e s t m e n to nh a r d w a r e ，t h es y s t e mh a st h ev i i r t u eo fl o wc o s t ，m 曲r e n d e rs p e e d a c c o r d i n g t ot h ed e s i g l ls c h e m eo ft h ep r o j e c t ，t h ed e v e l 9 p m e n tw o r ka n dt h e 丘m c t i o no f s e aw a t e rm o d u l e 1 a l ( ew a t e rm o d u l e ，b r o o kw a t e rm o d u l e 锄dn a t a t o r i u mw a t e rm o d u l e w e r ef i n i s h e d n l r o u g he x p e r i m e n t ，t h er e s u i t s 洫d i c a t et h a tt h es y s t e 【i la r c h i v e sg o o d p e r c e p t u a lp i c t u r e q u a l i t ya n df h v o r d b l es p e e d k e yw o r d s ：r e n d e 咖a i l ，s h a d e r ，黜l ，触c t a l ，f o 嘶e r ，r a yt r a c e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 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。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 挎砑 日期：伽g 年6 月2 ，日 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。本人授权华中师范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。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 日期： 挎拜挎醉 年月副 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童诠塞握銮后进卮! 旦圭生；旦二生；旦三生筮查! 作榔：i j 伊稀作者签名：j 旷7 芦甲 日期：年月 日 抑签名：彻斩 日期汹年石月 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章绪论 1 1 论文的研究背景及课题来源 随着社会的发展，人民群众对文化生活的要求越来越高，从传统的手绘动画到 近年来兴起的计算机动画，制作水平也逐渐提高，艺术视觉效果越来越好。计算机 动画是综合利用计算机科学、艺术、数学、物理学和其他相关学科的知识，用计算 机生成虚拟真实画面的一门高新技术。 计算机动画片的发展经历了二维时代到现在的迅速发展的三维时代。三维动 画，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一新兴技术。目前三维动画在 影视广告制作、建筑效果图制作、电脑游戏制作、工业制造、医疗卫生、法律( 例 如事故分析) 、娱乐、教育等众多领域得到广泛的应用。 三维动画软件在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维 世界中按照要表现对象的形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动 轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并 打上灯光，最后渲染和输出。材质的制作在渲染这个环节，对一个优秀的动画片来 讲，是一个最精细的工作，材质就是观众做看到的物体表面的一切，例如什么花纹， 反光区域等等。由于它所需要具有的丰富视觉感染力，让观众可以直接感受到丰富 的色彩，缤纷的图案，流光溢彩的画面，它在动画制作中的地位是极其重要的。 材质( s h a d e r ) 可以看成是材料、纹理和光的结合。在渲染中，它是表面各可 视属性的结合，这些可视属性是指表面的颜色、纹理、透明度、反射率、折射率、 发光度等【1 1 。 主流动画软件例如3 d m a x 、m a y a 提供材质库，存储材质球，材质球是一个制 作好的材质效果类，提供参数的调节。材质球之间可以复合连接，在渲染时生成一 个单独的材质对象，赋给需要这种材质的模型，并在这个过程可以可视化地交互调 节材质效果。动画师根据需要自己调节例如颜色的浓淡，反射的区域等等，在以前 的动画制作中有些广泛的基本应用。 但是使用系统自带的材质库存在有以下几点局限性。局限性体现在：一是渲染 速度慢。在所有的三维软件中，三维场景的渲染速度是以模型的数量级来决定的。 注重细节的模型，例如制作一个细菌，将每个细节都由面片表示，往往模型量在几 百万个基本面以上，导致一幅图片的渲染时间都可以达到数天之长。另外某个特定 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 的材质球里面的某些参数即便你没有使用它来调节，但是在程序参数计算中也是需 要计算的，这些多余的计算也会拖慢速度。二是调节的参数是固定的，对于某一个 给定的材质球，三维软件制造商已经设计好了界面中可以调节的参数，如果用户需 要对这种类型的材质球加一些特殊定制的效果或是需要开放内部代码的一些参数 给用户往往做不到。三是特殊效果特别难于调出或是根本没有，三维软件比如 3 d m a ) 【、m a y a 或是其他的软件，材质球是根据经验来设定的，实际中经常使用的一 些比较多，但是不面面俱到，而实际的应用过程中，表现丰富表面细节的材质产品 也是千差万别，如果用户需要自己定制的材质球给自己或是组员使用，这些材质球 也许不能够满足一些特殊需要了。 因此，实际工作中，我们大量采用第三方渲染器来对材质做扩展编程，丰富材 质的种类和效果。这样的渲染器数量很多，很多渲染器支持的扩展接口不仅仅在于 s h a d e r ，比如m e n t a l r a y ，v r a y ，b r a z i l ，f i n a l r e n d e r ，r e n d e m a n 等等，各有特点。在 所有的这些渲染器中，r e n d e 锄a i l 被称为是“照片级的真实感”，是一款渲染速度快， 渲染质量优秀，可靠性高，对硬件要求低，支持多种操作系统的一流渲染器，在业 界有着极高的声誉。在过去的十年里，奥斯卡最佳视觉效果奖得主，有8 个是凭借 r e n d e m a j l 制作的数字图象而获奖，可见其强大的应用能力。同时r e n d e m l a i l 的开 发厂商p i x a r 公司针对多款主流的三维软件开发插件级的接口，最著名的有开发的 一个和m a y a 兼容的r e n d e m a i l 艺术家工具r e n d e n l l a i la n i s tt 0 0 1 ，凡盯，这使得 r e n d e n n a i l 在动画制作的主流软件m a y a 中使用方便，可以跟m a y a 无缝结合使用， 对用户来说是通明的，具有重要的工程应用价值。 r e n d e m l a i l 中出色的扩展编程有两个方面，r e n d e n l l a l li n t e r f a c e ，接口和 r e n d e n i l a ns h a d i n gl a l l g u a g e ，r s l 接口。前一个接口用来对建模扩展，可以描述场 景中的模型、摄像机、灯光等。后一个是r e n d e n n a i l 提供材质编程接口，实现编写 的数字着色，“指导渲染器如何渲染 ，为艺术家提供了更大的创作空间，每个使用 者可以根据自己的需要和想象，随意编写自己的着色方案，自由地设置调节参数等 等，只求达到最好的视觉效果。r e n d e n n a j l 本身有和三维软件一样的材质球，可以 供动画师户交互调节，但是为了满足动画师为了效果的无限追求，才提供了这样的 接口，另外，复杂模型可以通过制作材质来虚拟效果，比如水流，树木，屋顶等， 不使用实际的模型制作，而采用材质，使其“看上去很像 ，从而节省模型面几何 级数，提高渲染速度。 水流的计算机模拟在很多领域比如环境资源勘探，洋流动力模拟，军事仿真等 等都有着广泛的的应用，在三维动画中，也一直是焦点。对各种水流效果的形态模 2 石页士学位论文 m a s t e r st h e s l s 拟、提高速度、提高精度从来都是动画师们关注的焦点，因为不管是应用于卡通动 画片还是特效制作、电视片头等等，流水、火焰、云雾、雷电等的效果是非常吸引 人的眼球的。在这些方面有很多既有应用成果，几乎所有现在的动画大片，比如在 冰河世纪、海底总动员、快乐的大脚等等都在水流、火焰、云雾等方面做过很多的 描述。举例说在2 0 0 7 年年度奥斯卡最佳动画片快乐的大脚中，针对于企鹅们 在水中玩耍的镜头需要，甚至特别制作了一套水流动力系统，这套动力系统的设计 不仅仅包含材质，还包括了物理原理设计，效果非常突出，为这套动画片获得的效 果立下了汗马功劳。这套方案中模拟了很多不同的水流系统，有小企鹅芒搏在波涛 汹涌的大海中前行的场面，也有在南极冰天雪地的极地冰湖中游泳嬉戏的场景等， 为人所津津乐道。 在三维动画中的流水模拟有其自身的要求。在物理原理上分为按照物理原理仿 真和按照经验公式仿真的两种，其中后一种的应用更广，原因在于动画制作相对于 海洋军事等不需要很高的真实性，物理模型要大致符合，但是不用在细节上完全一 致，同时在效果上要求是要比实际高，要比实际中的更有艺术性。因此水流系统的 动画制作要简单一些，同时灵活性更大，更有个人主观性。随着湖北省科技攻关计 划的动画片7 摄氏度的制作，这是一部以好莱坞标准打造的动画大片，在这部 高水准的动画片中加入材质的编写成为了一个必须的要求，本论文在r e n d e m l a j l 中 开发一个集成环境来综合模拟几种水流的材质，以达到不使用模型量增加而得到丰 富的水流效果，并将其应用到m a y a 之中，以满足一部实际的高标准动画片的实际 需求。 1 2 国内外研究现状 在动画领域，三维动画的发展历史很短，是一个新兴的领域，其发展到目前为 止可以分为3 个阶段。1 9 9 5 年至2 0 0 0 年是第一阶段，此阶段是三维动画的起步以 及初步发展时期。在这一阶段，皮克斯迪斯尼是三维动画影片市场上的主要玩家。 在这个时期皮克斯的技术已经出现了很多针对性的开发。2 0 0 1 年至2 0 0 3 年为第二 阶段，此阶段是三维动画的迅猛发展时期。在这一阶段，三维动画从“一个人的游 戏 变成了皮克斯和梦工场的竞争，从2 0 0 4 年开始，三维动画影片步入其发展的 第三阶段全盛时期。在这一阶段，三维动画将演变成多个厂商的游戏，在后 两个阶段，针对动画片做技术开发就已经十分普遍。 中国动画片的历史很悠久，但是目前由于我国投资在动画片上的资金整体偏少， 国内电视动画片都在大量制作传统的二维动画和低成本二维动画片以及少量的低 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 成本三维动画片，电影制作出的成片少，片中运用数字技术含量小。但是可喜的好 似国内动漫产业在政府的大力推动下得到迅猛发展，比如成立了若干个动漫产业基 地，以后针对产品做研发的会越来越多。 水流模拟的研究国内外都有广泛的关注，都有很多的研究成果，但是应用于工 业领域的比较多。 国外的大片技术开发普遍。根据实际进行程度和状态，设计材质、动力系统、 动画等等。如在国外，一些著名动画大片快乐的大脚、海底总动员等针对水 流系统做研发，并获得了空前的成功。在国内，使用既有的软件连接材质球达到水 流效果非常多，但是这方面的开发有限，并还未曾在动画片中形成影响力的产品。 单纯从技术的角度来说，流水的模拟已经有很多的研究方法和成果。流水的模 拟，根据流动情况的不同，模拟的情况也不尽相同。流水模拟大致上可以分为流场 的模拟，波浪的模拟，喷泉和瀑布的模拟等情况。主要采用基于波形的分析方法， 基于物理原理的流体力学或是粒子系统的方法。 基于波的分析方法是采用一系列函数叠加而成，不关注水波的物理现象，而采 用f o u r i e r 级数或是类似的函数，在这方面比较突出的有 p e r l i n 【2 】，p e a c h e y 【3 】，f o u r i e r 【4 1 ，该方法主要是根据经验和视觉效果。如公式1 1 所示： | - z ( x ，y ，f ) = 乏：彳i 办，( 磅( x ，j ，) ) ( 公式1 1 ) 百 其中，t 为时间或是跟时间有关的量，a i 代表了每个叠加波形的权重。劬【x ，y ，” 是输入的位置和时刻，以什么为自变量变化。觑( 劈( x ，y ，f ) 代表叠加函数。波形分析 方法实现简单，应用广泛，主要用于表现效果的控制和艺术加工。 对流场的情况大多采用基于流体动力学物理模型的方法。例如m k a s s ，g m i l l e r 【5 】采用三对角线线性方程组迭代方法来求解n a v i e r s t o k e s 浅水波方 程，并基于求解结果绘制高度场。d e 耐g h t ，r f e d k i w 等【6 】，提出了被称为“粒子 水平集( p a n i c l el e v e ls e t ) 的非实时复杂水面绘制方法，一通过水平集( 欧拉法) 和 粒子系统( 拉格朗日法) 结合的方法，在水流模拟的宏观效果( 如海浪) 和微观效果( 如 水倒入杯中) 上都可以获得逼真的结果。国内方面有董若峰，汪国昭【7 1 ，张尚弘【8 】 等人进行了研究，张尚弘将粒子系统与物理方法结合，采用距离倒数加权法和运动 记录法简化完成速度场时空插值，并将数学模型计算出的e u l a r 场转换为 l a g r 觚g e 场，来完成粒子运动的更新。该方法在模拟大范围的水流场景中获得了一 定的效果。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 基于粒子系统主要对于雨水，瀑布等的模拟，主要应用了动态变化，没有固定 的外形，难以用多边形曲面来表示，它的基本思想就是是用很多形状简单的微小粒 子作为基本元素，以一定的规律聚集起来，粒子具有不同的生命周期，不同的颜色 属性，不同的运动速度【9 】。粒子系统被认为了到目前为止，最成功的模拟自然景物 的一种方式。在粒子系统动画方面，r e e v e s 【1 0 】他在1 9 8 3 年成功地提出了一种模拟 不规则模糊物体的景物生成系统。在他的工作中，一个物体由一系列的粒子来表示， 根据各自的动画，每个粒子都要经历“出生”、“运动和生长”及“死亡”三个阶段。 经过二十多年的发展，粒子系统逐步成熟和完善。t o 衄e s e n 总结了前人的工作，将 粒子系统分为三类，分别是：独立粒子系统( s y s t e m so f i n d e p e n d e n t p a i t i c l e s ) ，有固定 连接的粒子系统( s y s t e m s 晰t hf i x e dp 砸i c l ec o i l i l e c t i o n s ) 和动态藕合的粒子系统 ( d y n 锄i c a l l yc o u p l e dp 硼i c l es y s t e m s ) 。 1 3 论文的研究意义及目的 高质量的三维动画片是科技与人文的完美结合。国内在这方面才刚刚迈过起 步，进入快速发展阶段。相对于传统的纸质动画片，三维的动画立体感好，影视效 果逼真有趣，这些都对制作者提出了更高的要求。动画的材质就相当于动画片的角 色、器物制作的“衣服”一样。编写有美感的材质对动画片是有实际意义的。对自 然景物，例如烟火、云雾、水流、布料等的模拟，是计算机图形学一个热点的关注 领域，也是动画表现的一个难点和闪亮点。利用高质量的渲染器r e n d e 彻a i l ，在其 中开发水流材质是一个很有挑战性的工作。当前的状况是在r e n d e n n a i l 中使用系统 自身的材质球会拖慢渲染速度，水流种类不够齐全，没有集成环境来简化操作。因 此，如何在r e n d e 眦a n 中制作一个集成的环境来模拟各种水流的材质，包括溪水、 湖水、海水、游泳池的水等等有重要的意义。这对在将在r e n d e 肌a 1 1 中生产动画片 有十分重要的实际应用意义。为满足湖北省科技攻关计划的动画片7 摄氏度的 制作，在这部高水准的动画片中加入材质的编写成为了一个必须的要求。本论文是 想开发出价格低廉、操作方便、集成界面、实现快捷、适合具体项目的水流材质系 统，以满足一部实际的高标准动画片的实际需求。这对于这个动画片有实际的意义， 更对以后开发三维动画片有重要意义。 本论文在r e n d e m a i l 中开发一个集成环境来综合模拟各种水流的材质，综合应 用物理学、图形学和计算机学的知识，以得到丰富的水流效果，以满足一部实际的 高标准动画片的实际需求。在对通过物理中的自然景物模拟方式，结合数学上的微 积分、傅立叶级数等随机理论等，结合r e n d e n n a l l 的a p i 。本论文的水流材质系统 5 五页士学位论文 m a s t e r st h e s i s 是通过r e n d e 咖a 1 1 中利用心l 语言编程，先分析完成溪水、湖水、海水、游泳池各 个水流的物理模型分析和在算法上实现，通过各个模板的完成，最后在r e n d e m a n 的s l i m 模板中编程集成，最终形成一个可以在i 沁n d e 肌a i l 中使用的水流材质系统。 这个系统直接使用与本论文所提到的待制作的动画片，也可用于任何使用 r i e n d e 瑚a n 的需要水流效果的动画师。 1 4 论文主要特点和结构安排 本论文在对r e n d e r n l a i l 的s h a d e r 开发做深入研究的基础上，对水流的模拟做了 大量的研究工作，实现了在r e n d e 肌a u l 中的水流材质系统。重点研究了各种水流的 物理模型，在r e n d e m a l l 中的实现方法。在实际工程中有应用价值。本文的特点在 于： 1 运用r e n d e n l l a i l 的r s l 技术在r e n d e r i i l a l l 中实现水流材质系统。 2 完成溪水、湖水、海水、游泳池水的物理模型分析。 3 系统模块化。系统根据功能分模块开发，最后再整合，系统使用的所有库都 是基于开放源代码的，这样的设计便于系统的拓展和移植。 4 运用r e n d e m a n 中的s l i m 技术在r - e n d e n i l a i l 中集成。 5 完成了各种交互式的水流材质的编程和测试。 第一章对课题背景做了简单系统的概述，包括论文的研究背景、研究现状、研 究意义和论文的主要特点及结构安排，介绍了三维动画中材质编写存在的问题，材 质开发的含义和发展现状，水流材质的开发意义和一些前人所做的工作，并阐述了 本课题的目的。 第二章是论文中的高级渲染器r e n d e n n a n 的渲染原理。包括s h a d e r 技术介绍、 r e n d e n n a n 以及r e n d e n n a l l 的接口研究、s l i m 技术研究。 第三章是水流材质系统的物理模型研究，这是本文工作的理论基础。 第四章是水流材质系统的设计：包括海水模块、溪水模块、湖水模块和泳池水 模块四个模块的总体设计图和核心编码，以及使用s l i m 技术将这几个部分集成到统 一界面上。包括各个模块水波波纹的实现、环境的实现、灯光的实现的编码。 第五章是实验结果和展望。展示了实验的结果，讨论了本文的应用评价主要工 作总结全文，并反思存在的问题和今后需要继续做的工作。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 5 本章小结 本章主要从对课题背景做了简单系统的概述，阐述了论文的研究背景，提 出了论文的研究背景、分析了论文的研究现状、研究意义和论文的主要特点及结构 安排。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 第二章高级渲染器r e n d e r m a n 的渲染原理 2 1r e n d e r m a n 介绍 2 1 1r e n d e m a n 概述 r e n d e 姗a i l 是一种渲染的a p i ，是指建模动画这部分和渲染分离。建模器比如 m a y a ，s o r i m a g e ，或者在r e n d e 咖a n 编程建模型，也可以是其他软件等，将场景输 出成到渲染软件中去渲染【l l 】。这个关系如图2 1 所示， 图2 1r e n d e n i i a n 渲染示恿图 每个人都可以创建一个渲染系统。只要符合r e n d e 珊a 1 1 的标准，这个标准展示 了渲染器不用直接和硬件相连接。任何建模器，只要符合这个标准都可以使用任何 的渲染器进行渲染。当然，所用渲染器也要符合这个标准。实际上，使用者能够选 择最适合他们需要的建模器，然后把它按所需要的标准和一个渲染器匹配。软件开 发者能够专注于他们最擅长的动画管道，而把其他的工作交给其他人完成。在 r e n d e 肌a i l 中搞开发的技术导演能够应用他们的专业能力。 在这种思想下，美国p i x a r 公司于上个世纪8 0 年代开发了这样一个标准a p i 一 p h o t o r e a l i s t i cr e n d e n n a l l ，p i t m a i l ，实际上r e n d e 衄a i l 的渲染器有p 锄a n 、b m r t 、 e n 们p y ，但是p r m a j l 被视为r e n d e n i l a n 的正宗，另外两个版本是根据p i m 伽1 改 编出来的，核心算法一致，只是在功能扩展、收费和平台上有所不同而已，而且 8 石矗士学位论文 m a s t e r st h e s l s r e n d e 姗a 1 1 的大部分成就都是p i t m a i l 获得的，因此一般以p r m a l l 来代表他们。经 过国外十几年的应用，p i 蝴a i l 已经成为r e n d e m a i l 的工业标准，所以事实上，它 们两个同义，说到r e n d e h i l a l l ，其产品指的就是p r m a n 。r e n d e n n a i l 的最大特征是 照片级的精度，并采用了很多先进的算法，在保证渲染精度的情况下，其渲染速度 较快。在动画制作中，如果渲染速度加快，就能够拥有更多的制作时间，这样我们 就可以使画面拥有更多的元素，从而增强画面的质量。 能够支持r e n d e m a n 的渲染速度提升的因素，除了因为其渲染算法是大部分采 用扫描线算法，更重要的是r e n d e m a n 对于材质本身的渲染进行不同的解决方案， 使得在渲染过程中，可以尽可能的优化渲染算法，减少不必要的渲染消耗。 r e n d e n l l a n 可以在s g i ，s u n ，吼i x jl i n u ) ( ，w i n d o w s 的操作系统上使用，r c n d e n n a i l 是基于c p u 渲染的，除了c p u 和内存，对机器的其他参数要求小【l l 】。但是它本身 很难用，只有核心，没有外部包装，需要用户做相应的开发工作。渲染是计算机图 象生成的一个复杂的部分。r e n d e m a l l 让使用者控制这个过程的各个方面，因此要 完全理解要很多年的时间。 当r e n d e 肌a i l 的标准开始被使用的时候，计算机的图形学还是一个只有专业人 士才使用的很难懂的问题，使用r e n d e m a n 的人必须编写建模程序来生成自己的模 型，所以，r e n d e 肋a i l 的a p i 中定义了一个c 函数集合，这个集合能够被建模程序 调用以生成模型。这个c 语言集合的a p i 提供了一个和渲染器交流的途径。一个建 模程序不能够直接和一个渲染器相联系。一个场景必须先在一个平台上生成，然后 把它传递给渲染器生成图片。这个软件的中间文件就是砌b 文件。这些r j b 文件能 够被修改，并传递给一个独立的渲染器，可能在一个完全不同的机器上运行。 虽然刚b 文件定义了这个场景的几何模型，但是r e n d e n i l a l l 中一个物体的形状 和它的表面细节是分离的，大部分的物体几何上是很简单的，并且能够被非常初级 的几何体代替。比如，一个橘子能够简单的被一个球形模型所代替。然而，真实的 物体展示非常不同的有趣的复杂的纹理，和灯光的交互，这样不同的物体就给人不 同的感觉了。当大多数现代的渲染系统能够对修改一个物体的表面属性做一些有限 的预览，r e n d e n i l a l l 的标准高一些，能够定义一个非常高复杂度和灵活性的系统， 一个物体的表面属性能够被s h a d e r 修改。s h a d e r 是一些使用r e n d e r n l a n 的特殊语言， 称为r s l 的，书写的一些简短的计算机程序，渲染器提供一个编译过程，将黜l 语 言写的程序编译后被渲染器使用。一个砒b 文件写好了以后，会给模型添加s h a d e r 。 当场景渲染的时候，渲染器寻找编译好的s h a d e r 的文件，使用其中的代码计算表面 的参数。这是r e n d e 吼a i l 渲染器强大的原因之一，因为它可以非常好的控制模型的 9 硕士学位论文 m a s r e r st h e s l s 表面展示。 图2 2 【1 2 1 展示了上文中r e n d e m a l l 的渲染管线，先由建模器生成对b 文件，然 后通过b o u l l d 计算是否是在需要渲染的可见的面上，模型面大进行模型面的细化提 高效果，再给模型贴上s h a d e r ，然后设置r e n d e n n a n 全局变量，例如渲染的像素点 大小、凹凸贴图保持连续图象的周围取样计算平均值的面积等等，最后生成图片。 图2 2r e n d e 珈a n 渲染管线 l o 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s r e n d e m a i l 为使用它的渲染者除了上文提到的，还提供了一系列的优秀技术。 包括： 1 网格并行渲染。支持跨广域网的网格渲染。 2 支持多种插件。 3 完全分层的图形状态，可以支持分层输出，方便后期处理。 4 高质量的基于像素的过滤和反走样。r e n d e n i l 锄的渲染首先要分成所谓的 微面，然后再进行渲染。 5 大范围的包括四面和三角的p a t c h 面片和n m s 面片，以提供高质量的几何 体建模。 6 r e n d e m a l l 支持c s g 。在渲染中用消隐算法渲染出布尔效果，速度快、效 果好，而且消隐面上是目标物体的材质。做出腐蚀、融合、侵蚀等强劲的 效果。 7 基于像素级的渲染，各种精度的细节展示。 8 贴图( 包括r e n e c t i o i l ，e n v i r 0 啪e n t ，s h a d o w 和d i s p l a c e m e n t ) 9 运动模糊m o t i o nb l u r 。优秀的运动模糊算法可以减少运算时间。 1 0 摄像机景深设置，体积s l l a d e r ，光线追踪，区域灯s p o t l i g h t 和光能传递效 果。 1 1 可编程的r e n d e n n a l ls h a d i n gl a n g u a g e 。 1 2 几乎无限种类的颜色，可以支持6 5 5 3 5 6 5 5 3 5 6 5 5 3 5 种颜色。 这些特点中的很多都非常的优秀，但是并不是在每一个版本中都有这些功能。 2 1 2r n d e r m a na r t i s tt i o o l r e n d e n i l a l la n i s tt o o l ，凡盯是p i x a l 公司开发的一款将三维软件m a y a 与 r e n d e 姗a 1 1 结合起来的组件，安装过后可以在m a y a 的r e n d e 血g 面板中以插件的形 式打开和使用。黜玎包括四个部分，分别是 1 m t o r ，将m a y a 的场景中的模型自动导出到对b 格式，以满足r e n d e 珊强 渲染b 文件的要求； 2 控制台a l 舶d ，节单机或网络渲染的强大工具，可以查看渲染进度，进行 渲染调度等； 3 调色板s l i m ，绑定和管理r e n d e 肌a n 中的s h a d e r s ； 4 i t ，可以做为观看渲染结果的r e n d e i e w ，但实际上是一个极其强大的 s c r i p t 型后期合成工具。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 这四个组件的可以让动画渲染师有一个可视化的交互平台，便和m a v a 结合操 作。凡玎还有一点在于它超强的可扩展性。这款软件可以在动画制作的各个环节进 行扩展编程，不管是前期的建模，还是中期的着色和动画脚本，或者是后期合成。 每个环节都提供了编程接口。这个对r e n d e n i l a i l 的推广有着巨大的作用。在制作流 程中玎的主要作用如流程图2 3 所示，包括如下几个方面【1 3 】： 1 将三维制作软件的物体进行刚b 物体转换； 2 将三维制作软件的p o l y g o n 转化成r e n d e n i l a n 的s u b d i v s 物体； 3 将三维制作软件的物体与r e n d e m m 的材质进行连接： 4 对于场景渲染相关参数进行设置； 5 工程文件的路径与渲染服务器路径进行设定； 6 将三维制作软件场景的坐标设置成r e n d e 肌a n 坐标； 7 三维制作软件参数与r e n d e 珊a 1 1 参数进行连接与使用； 8 使用a l 舶d 进行渲染自身的参数设置与渲染管理。 期a y aa l f 黼 ，一 基枢一 l 丝叠登墅l p r m a 转 l | i煞| 搋携蕊接|材须编i蛩滋接|溅l钉殛边按| 铭貉与荔耱ll m n 嫩翎珏糟瓣l 图2 3r a t 工作流程图 2 1 3i k n d e r m a n 的接口 r e n d e m a l l 支持建模和渲染编程两个方面，接口由两个部分组成：r e n d e m a i l i n t e 血c e ，对租着色语言r e n d e 肋a 1 1s h a d i n gl a n g u a g e ，风l 。 接口定义了模型的表示方法描述场景中的模型，例如模型、灯光、摄像机这 些物体的位置和属性，接口绑定的官方语言有两种，使用c 语言和r e n d e m a n i n t e r f a c eb y t e s 仃e 锄，m b 协议。这两种描述方法在使用上是等价的，只是时间先后 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 问题，现在用的多是b 协议。其他的绑定到c + + ，t c l ，l i s p 和近年来流行的j a v a 上的语言已经出现，但是还没有被p 仅a l 官方认可。 砒b 协议是一系列r e n d e n n a l l a p i 调用的二进制或者a s c i i 编码方式【1 4 j 。大多 数r e n d e n l l a j la p i 都有相对应的r j b 命令。b 文件是一种流式文本文件，不是一 种编程语言，没有变量或是循环这样在编程语言中的结构，它仅仅是对场景的一种 描述，采用可读的a s c i i 码，可以自由添加和减少【1 5 1 。b 文件也可以分成几个部 分，分别渲染，这对网格渲染来说很有意义。 另一个就是r e n d e m a i ls h a d i n gl a j l g u a g e ，黜l 。黜l 是r e n d e 册a j l 最出色的优势。 黜l 是一种用来描述s h a d e r 表现各种效果的语言，它可以按照用户的意志来描述 s h a d e r 的表现。比如用户需要实现一种其软件里没有的视觉效果，一种可靠的方法 是用r s l 来描述，自己编写表面的花纹、表面的噪点、表面的高光等，然后编译， 让r e n d e n i l a i l 使用，就好象你“告诉r e n d e m a n 应该怎么样渲染一样。黜l ，是 一个基于c 语言衍生出的材质编写语言，但是和c 语言有很多不同，其拥有自己 的基本数据类型，流程控制语言，并且含有庞大的自身的r s l 函数库，支持开源， 内部的各种s h a d e r 代码均可见可实际修改后使用。用户可以自由地定义交互式的界 面参数，自由的定义表面的颜色纹理，凹凸纹理，光照模型，r e n d e m a l l 一步步将 各个属性分别生成，将最后得到的各种属性综合添加到物体的表面上输出。 2 2r e n d e r m a n 中s h d e r 制作方法 2 2 1r e n d e m a n 中s h a d e r 制作的概论 s h a d e r 并的制作其实是计算机模拟物件表面细节的一个过程。模拟的过程只 能是“貌似 ，永远不可能完全一致。s h a d e r 并不是专门针对r e n d e m 眦的，在其 他的图像软件中也存在s h a d e r ，这个指的就是物体的表面视觉属性。在本论文中， 只讨论r e n d e m a n 中的s h a d e r 。 r e n d e r n l a n 的s h a d e r 制作原理利用的是著名的s h a d e 树思想。1 9 8 4 年c o o k 提 出了s h a