（计算机应用技术专业论文）3d场景中大规模群体角色实时渲染技术的研究与实现.pdf

；：巴：1 - 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 互 塞毹 日期：b f d 年s 乒jz , t e 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 至立赦导师签名： e l 期：弘， 一 t ， 摘要 摘要 近年来，群体动画作已被广泛地应用在多个领域，包括数字娱乐、训练系统、 城市规划和人工智能研究等各个方面，因此作为群体动画重要组成部分的群体实 时渲染也成为众多专家学者研究的对象。目前，大家研究的重点主要集中在两个 大的方面：一方面是对群体角色规模的追求，另一方面又要寻求群体角色外观的 真实性。但是，群体的数量和真实感却是相互矛盾的两个方面，因为如果硬件性 能水平和群体渲染技术暂时无法改进的话，提高角色渲染的真实感就必然会增加 运算量，从而减少能够渲染的角色个数，反之，如果增加群体角色个数，则只有 降低单个角色外观的真实性。于是，要保证实时要求的基础上，同时增加群体角 色数量和提升视觉外观真实感的问题，已经成为极富挑战性的研究。 为了增加群体角色的数量，可以采用多种大规模群体加速技术，如几何模型 简化、剔除算法和实例化技术等。本论文在对传统的几何建模技术和模型简化方 法研究的基础上提出了一种多分辨率角色几何建模技术。该技术采用多层次l o d 思想，将整个场景的所有虚拟角色按距离远近分为三个粗略的l o d 等级，分别 使用替代物、点模型和多边形网格模型，然后将多边形网格分为三个细l o d ，形 成一个近似连续性的l o d 建模。另外，本文还提出了一个基于d i r e c t x1 0 几何 着色器的对点模型进行预处理和渲染的技术，该技术利用几何着色器在一定程度 上提高了点模型的渲染效率。 在群体外观的真实感研究方面，主要体现在角色外观的多样性和光照计算。 对于大规模群体角色来说，如果所有的虚拟角色外观都是一模一样，那么无论渲 染再多数量都是给人简单复制品的感觉，毫无真实感可言。故本文对群体角色外 观的多样性，分别从角色的建模、体型和纹理外观方面进行讨论，提出了一种掩 码网格技术，它可以根据少数几个网格模板生成较多的外观各异的角色。在改变 角色体型方面，本文还提出了一种基于程序逻辑的骨骼变形技术，该方法可以在 程序运行时动态改变骨骼蒙皮动画模型中的骨骼变换矩阵，从而通过控制矩阵来 改变角色的外观。 本文还实现了一种群体动画渲染系统来验证上述理论，实验中可以实时绘制 上万个高质量的群体虚拟角色，并且该渲染系统已在交通模拟、剧场火灾模拟等 多个应用中采用。 摘要 关键词：群体动画，掩码网格，多分辨率建模，实时渲染，管线优化 c r o w da n i m a t i o n ，h a sb e c o m eas t u d yo b j e c to fm a n ye x p e r t sa n ds c h o l a r s a tp r e s e n t ， t h es t u d i e sm a i n l yf o c u so nt w om a j o ra s p e c t s ：o n ei st h es c a l eo ft h ev i r t u a lh u m a n so f c r o w d ，a n dt h e o t h e ri st h er e a l i t yo ft h ea p p e a r a n c eo ft h ec h a r a c t e r s i nc r o w d h o w e v e r , t h eq u a n t i t ya n dr e a l i s mo ft h ev i r t u a lh u m a n si nt h ec r o w da r em u t u a l c o n t r a d i c t i o n b e c a u s ei ft e m p o r a r i l yu n a b l et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c el e v e l so ft h e h a r d w a r ea n dt h et e c h n i q u eo fc r o w dr e a l - t i m er e n d e r i n g ，i n c r e a s i n gt h er e a l i s mo ft h e r o l ei sb o u n dt oi n c r e a s ec o m p u t a t i o nw o r k l o a d ，t h u sw h i c hw i l lr e d u c et h en u m b e ro f t h er o l e c o n v e r s e l y , o n l yr e d u c i n gt h er e a l i t yo ft h ea p p e a r a n c eo fas i n g l er o l ec a n i n c r e a s et h en u m b e ro ft h ec h a r a c t e ri nt h ec r o w d s ob a s e do nt h er e a l t i m e r e q u i r e m e n t s ，i ti sv e r yc h a l l e n g i n gt o i n c r e a s et h en u m b e ro fc h a r a c t e ra n de n h a n c e t h er e a l i s mo ft h ev i s u a la p p e a r a n c eo fv i r t u a lh u m a n i no r d e rt oi n c r e a s et h en u m b e ro fr o l e si nt h ec r o w d ，w ec a nu s eav a r i e t yo f a c c e l e r a t i o n t e c h n o l o g i e s o fl a r g e s c a l ec r o w d ，s u c ha s t h e g e o m e t r i c m o d e l s i m p l i f i c a t i o n ，c u l l i n ga l g o r i t h m ，i n s t a n c i n gt e c h n o l o g ya n d s oo n t h et h e s i sp r o p o s e d am u l t i - r e s o l u t i o ng e o m e t r i c m o d e l i n gt e c h n i q u eb a s e do nt h es t u d yo ft h et r a d i t i o n a l g e o m e t r i cm o d e l i n gt e c h n i q u e sa n dm o d e ls i m p l i f i c a t i o n t h et e c h n o l o g y i n t r o d u c e sa m u l t i 1 e v e ll o dc o n c e p t i td i v i d e sa l lt h ev i r t u a lh u m a n so ft h ew h o l es c e n ei n t o t h r e er o u g hl o dl e v e l sa c c o r d i n gt ot h ed i s t a n c e ，r e s p e c t i v e l yu s i n gi m p o s t o r , p o i n t m o d e la n dt h ep o l y g o nm e s hm o d e l t h e ni td i v i d e st h ep o l y g o nm e s hi n t ot h r e e s m a l l e rl o dt of o r ma na p p r o x i m a t ec o n t i n u o u sl o dm o d e l i n g i na d d i t i o n , t h i s t h e s i sa l s op r o p o s e dam e t h o dt h a tc a l lp r e - p r o c e s sa n dr e n d e rp o i n tm o d e lb a s e do n t h ed i r e c t x10g e o m e t r ys h a d e r , a n dc a l li m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp o i n tm o d e l r e n d e r i n gt oac e r t a i ne x t e n tb yu s i n gg e o m e t r ys h a d e r s t h er e s e a r c ho nt h er e a l i s mo fa p p e a r a n c eo ft h ec h a r a c t e ri nac r o w dm a i n l y f o c u s e do nt h ec r o w da p p e a r a n c ev a r i e t ya n dl i g h t i n gc a l c u l a t i o n s i nt h el a r g e 。s c a l e i i i 一!望!兰! c r o w d ，i fa l lo ft h ev i r t u a lh u m a n s a p p e a r a n c ew e r ee x a c t l yt h es a m e ，t h e nn om a t t e r h o w l a r g et h er e n d e r i n gn u m b e ri s ，i tc a l lo n l yf e e ll i k es i m p l ec o p yw i t hn or e a l i s ma t a 1 1 t h e r e f o r e ，t h et h e s i sd i s c u s s e dt h ec r o w da p p e a r a n c ev a r i e t yr e s p e c t i v e l yf r o mt h e r o l em o d e l i n g ，s h a p ea n dt e x t u r ea p p e a r a n c e a n dw e p r o p o s e dam a s k m e s ht e c h n i q u e , w h i c hc a ng e n e r a t et h ea p p e a r a n c ef o rm o r ed i f f e r e n tr o l e sa c c o r d i n gt of e wm e s h t e m p l a t e s o nt h es h a p ec h a n g eo fav i r t u a lh u m a n ，w ea l s op r o p o s e dp r o g r a ml o g i c b a s e do ns k e l e t a ld e f o r m a t i o n t e c h n i q u e ，t h e m e t h o dc a l lb eu s e dt o c h a n g e t r a n s f o r m a t i o nm a t r i xo ft h es k e l e t o no ft h es k i n n e dm e s hm o d e ld y n a m i c a l l yd u r i n g iu l lt i m eo ft h ep r o g r a m ，w h i c hc a l l c h a n g et h ea p p e a r a n c eo ft h ec h a r a c t e rb y c o n t r o l l i n gt h em a t r i x t h et h e s i sa l s od e s i g n e dac r o w da n i m a t i o nr e n d e r i n gs y s t e mt o v e r i f yt h e t h e o r ym e n t i o n e da b o v e t e n so ft h o u s a n d so fh i g h - q u a l i t yv i r t u a lc h a r a c t e r sc a nb e r e a l - t i m er e n d e r e di ne x p e r i m e n t s ，a n dt h e r e n d e r i n gs y s t e mh a sa p p l i e di ns e v e r a l s i m u l a t i o np r o j c o t s ，f o rt h et r a f f i cs i m u l a t i o n ，t h e a t e rf i r es i m u l a t i o na n ds oo n k e yw o r d s ：c r o w da n i m a t i o n ，m a s km e s h ，m u l t i - r e s o l u t i o nm o d e l i n g , r e a l - t i m e r e n d e r i n g ，p i p e l i n eo p t i m i z a t i o n i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 课题背景和研究意义1 1 3 研究的现状3 1 4 本文的工作及创新。8 1 5 本文的篇章结构8 第二章群体角色几何建模1 0 2 1 基于点的角色建模1 1 2 1 1 点数据的获取1 1 2 1 2 点模型的处理1 2 2 1 3 点模型的重建和表示1 2 2 2 基于2 d 图像的角色建模一1 4 2 2 1 基于单张图像的重建1 5 2 2 2 基于立体视觉的重建1 5 2 2 3 基于侧影轮廓线的重建1 5 2 2 4 基于深度图像的重建1 6 2 3 基于多边形的角色建模1 6 2 3 1 数据结构1 6 2 3 2 创建多边形对象1 7 2 3 3 多边形网格的经济性。1 8 2 4 群体外观的多样性研究1 9 2 4 1 角色建模和动画1 9 2 4 2 角色体型2 0 2 4 3 纹理外观2 2 2 5 本章小结2 3 第三章群体角色动画建模2 4 3 1 纹理动画技术2 4 3 2 渐变动画建模2 5 v 目录 3 3 关节动画建模2 6 3 3 1层次结构2 7 3 3 2网格依附一2 7 3 3 3 位置计算2 8 3 3 4 特点一2 8 3 4 骨骼蒙皮动画建模2 8 3 5 动画的驱动控制：。3 0 3 5 1 运动学技术3 0 3 5 2 动力学技术3 0 3 5 3运动捕捉技术31 3 6 本章小结3 2 第四章群体实时渲染和加速技术j 3 3 4 1 可见性剔除算法3 3 4 1 1 视锥和背面剔除3 4 4 1 2 层次视锥剔除3 5 4 1 3 遮挡剔除3 8 4 2l o d 技术3 9 4 2 1 创建4 0 4 2 2 层次选择4 0 4 2 3 切换4 1 4 3 基于图像渲染的替代物技术4 2 4 3 1 预处理4 2 4 3 2切换。4 3 4 3 3 绘制4 4 4 4 基于点的渲染技术一4 4 4 5 基于g p u 的蒙皮实例化技术4 6 4 5 1 实例化技术简介4 6 4 5 2 蒙皮实例化实现4 7 4 6 光照和着色技术5 0 4 6 1光照相关基本理论5 0 4 6 2 虚拟角色的光照计算5 1 4 7 实验结果5 2 v i 5 3 5 4 5 4 5 5 5 6 5 3 1 群体环境渲染模块5 6 5 3 2 虚拟群体角色渲染模块5 8 5 3 3 障碍物渲染模块6 0 5 3 4 资源管理模块。6 1 5 4 渲染系统接口设计6 2 5 5 本章小结6 2 第六章群体渲染的管线优化6 4 6 1 系统瓶颈的定位6 4 6 2 系统性能优化方法6 6 6 2 1 应用程序阶段6 6 6 2 2 几何操作阶段6 7 6 2 3 像素操作阶段6 7 6 3 性能工具概览6 8 6 3 1 p 6 8 6 3 2 n v p e r f h u d 7 0 6 ：；：；g p u p e r f s t u d i o 7 2 6 4 本章小结7 4 第七章总结和展望7 5 7 1 本文总结7 5 7 2 研究展望7 5 致谢7 7 参考文献7 8 在学期间的科研成果和获奖情况8 3 v i i 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题主要研究3 d 场景中大规模群体角色的渲染，包括了几个子研究内容： 群体的几何和动画建模，群体渲染技术和群体渲染管线优化技术，它是依据“虚 拟环境下群体动画实时模型与绘制技术( 2 0 0 7 a a 0 1 2 3 2 2 ) ”展开，该项目主要针 对大规模群体动画仿真中的多个关键技术进行研究，其中包括群体行为模拟，群 体实时渲染两大关键模块，并在理论研究的基础上构建群体动画引擎，通过将群 体动画引擎应用于多种仿真环境，如灾难，交通等具体环境，实现多个群体动画 验证系统。 1 2 课题背景和研究意义 计算机图形学在游戏，娱乐，医疗，建筑和文化等产业的广泛应用使得它成 为研究的热点领域，数字游戏和娱乐在带给广大用户高度真实感，复杂性和沉浸 感的同时也成为实时计算机图形学发展的一个重要因素。在目前的技术阶段，用 户可以互动性的漫游在复杂的，拥有特殊光照效果的，基于多边形的虚拟场景， 像在游戏或虚拟现实这样的交互性程序中，虚拟动画角色和用户之间进行交互也 变得越来越普遍。 群体动画作为计算机图形学研究领域的一个细小分支，直到上世纪9 0 年代中 期，关于这方面的研究还凤毛麟角，很难在相关计算机文献中搜寻到它的影踪。 但随着计算机软硬件的飞速发展，各行各业对计算机群体动画的应用也越来越多， 如通过群体动画可以为电影中两军对垒中十万大军冲锋营造出真实宏大的场景氛 围，可以模拟灾难中的人群疏散来制定合理的指导方法，可以为城市规划和交通 管理提供参考等。 1 ) 在数字娱乐产业中的应用 在当前的计算机游戏中，群体动画的应用相对比较少。最主要的原因就 是由于群体动画实现的复杂性，尤其是当群体成员的数量增加时，为了能以 交互性的帧率渲染群体动画，满足实时性要求，需要较大的内存容量、高速 电子科技大学硕士学位论文 的c p u ，以及最新的图形硬件。此外群体动画创作本身也是非常复杂的。这 些都较大限制了群体动画在游戏产业中的应用。所以，研究群体动画实时渲 染技术，以可交互的帧率来渲染大规模的游戏角色，将成为未来游戏引擎中 的一个比较核心的技术，一旦突破这一技术，将提升游戏的表现品质。 2 ) 在虚拟训练系统中的应用 在警察和军队的训练模拟系统中，常常包含有对处理大量虚拟人群的虚 拟模拟，比如训练处理发生火灾、烟雾等危险情况下的人群运动。但是，一 是由于三维模型、场景本身的复杂性，二是由于大规模人群的运动，极大地 限制了此类训练系统的交互能力，不能很好的为用户提供辅助训练。因此， 只要群体动画实时渲染技术得到提高，使得在灾难等情况的人群指挥训练系 统中能够提供系统与用户的交互能力，则群体动画将在该领域得到很大的发 展空间。 3 ) 在数字展示领域中的应用 随着计算机图形学与虚拟现实技术的不断发展和成熟，数字展示领域也得到 了较大的应用，比如城市数字化规划、校园数字化展示、交通流量展示等等。这 些数字化展示中都包含了大量的虚拟人群运动。就目前这些展示来说，都还未增 加数字展示的可交互性能力，让用户能实时地与群体交互，比如通过设置红绿灯 的时间，来观察人流和车流的变化，从而获得合适的红绿灯设置范围。这些类似 的需求都对群体动画实时渲染技术提出了更高的要求。 4 ) 在机器人和人工智能研究的应用 人工智能领域的研究者们对探索个体行为规则产生群体行为的方式很 有兴趣，而机器人的软件模型和组织则被设计和实验来了解在系统中如何从 简单规则导致复杂行为。对分布式行为控制最重要的一个机制是激发 ( s t i g m e r y ) ，个体之间的相互作用通过对环境的改变来实现。 d o r i g o 1 】通过研究真实的蚂蚁自治系统引入了a n ts y s t e m 。a n t 算法已 经成功地用于解决各种离散的优化问题，例如旅行商问题，图着色，网络路 由等问题。此外除了昆虫如蚂蚁，鸟群，羊群和鱼群等也被研究来了解它们 是如何组织的。生态系统的原则也被用来设计机器人自治系统的行为控制准 则。m a t a r i c f 2 】曾经研究机器人群体的基于行为的控制，他的实验拥有2 0 个 机器人，行为库则包括安全巡逻，跟随，聚集，分散及归巢等。h o l l a n d 和 2 第一章绪论 m e l h u i s h 3 】实验一组机器人对物体进行排序，而他们的依据就是根据蚂蚁对 某些物体的排序。 可是，随着像游戏或城市环境模拟这样的实时程序的场景复杂性越来越高， 且伴随着对真实感的渴望的增加，用户的对图形应用程序的期望也迅速增长。但 是由于硬件的计算和渲染性能的限制，对拥有成千上万个虚拟动画角色的群体场 景的实时模拟和渲染，已经变得非常困难。因此，研究如何在性能和真实感之间 进行平衡的各种理论和技术受到广泛的重视，使其成为极富挑战和应用前景的课 题。 1 3 研究的现状 目前，已经有较多的关于群体动画实时渲染的研究，它们大多数集中在 以下几个方面： 数量：需要渲染成千上万的虚拟群体角色； 质量：角色外观、动作和行为的真实性； 效率：计算机资源占用和实时性要求； 多样性：群体的多样性以及适应不同的场景环境。 事实上，对于拥有高密度人群的复杂环境如城市，在实时渲染中存在着 两个相互独立的并需同步的问题：大规模静态物体的呈现和动画群体、车辆 的渲染。这两个方面的渲染都是需要大量昂贵的计算，使用当前的技术要达 到可交互的帧率来显示场景，则场景中的群体模型只能由几百或上千的少量 多边形来构成，这就大大降低虚拟角色的真实性。因此，群体的渲染的主要 问题是需要渲染大规模的拥有极多细节由非常多的多边形表示的动态网格。 要同时渲染成千上万的虚拟角色在屏幕上，可能需要绘制超过数百万个多边 形，这在实时的情况下几乎很难达到。 当前在群体动画实时渲染方面的研究已经存在几种技术，这些技术包括： 裁剪技术、细节层次( l e v e l so fd e t a i l ，l o d ) 技术、基于图像的替代物 ( i m p o s t o r s ) 技术、基于点的渲染( p o i n t - b a s e dr e n d e r i n g ，p b r ) 技术、 实例化技术( i n s t a n c i n g ) 、细分镶嵌( t e s s e l l a t i o n ) 技术以及相关的渲染性 能优化技术等。这些技术的一个共同思想是：在保证实时性的基础之上，最 大限度提升群体角色渲染的真实性，同时尽量减少场景的复杂性，降低需要 渲染的多边形数量，从而加速渲染。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 ) 裁剪技术 裁剪技术是多种技术的结合，这其中包括了b s p 4 】( b i n a r ys p a c e p a r t i o n i n g ) 、四叉树【5 1 、八叉树【6 1 、k d t r e e 7 】等空间分割技术以及视锥体 剔除【8 】( v i e wf r u s t u mc u l l i n g ) 技术和遮挡剔除【9 】( o c c l u s i o nc u l l i n g ) 技术 等一系列技术。上述算法的基本思想是移除在最终渲染出来的图像上不可见 的物体或多边形来降低场景的几何复杂性以提升实时渲染的效率。 4 中的 基本思想是，试图将所有的平面组织成一棵树，每个平面都把它所在的空间 分为前后两个部分，这两个部分又被另外的平面分为更小的部分，直到最后 把空间分割为一个个凸面体，然后根据分割平面确定每个叶子节点( 凸面体) 相对于视点的前后顺序，从而确定遮挡关系，避免绘制被遮挡的凸面体以减 少绘制不必要的物体。而使用四叉树的最大理由是可以快速检索到巨大的地 形，用大块的单位消除无用的数据，快速缩减渲染时所必须处理的数据量。 它的基本思想是：使用四个子节点递归地将空间进行分割，从而加速进行查 询处理的效率。 视锥剔除是将处于视锥体外的物体进行移除，而遮挡剔除则是将处于遮 挡体后不可见的被遮挡物进行排除，这些被剔掉的物体将不会被送到图形渲 染管线进行渲染。 8 列举了一般剔除测试算法、a a b b ( a x isa 1 i g n e d b o u n d i n gb o x e s ) 算法、o b b ( o r i e n t e db o u n d i n gb o x e s ) 算法和包围球等四 种略有不同的视锥剔除算法，它们在不同情况下适用性各有优势，很难单独 地说某个算法最优。 9 中提出了一致性层遮挡剔除算法，它将k d - t r e e 和 硬件遮挡查询相结合，利用程序的局部性原理和层次结构的优势极大的提高 了场景遮挡剔除的效率。传统的裁剪技术均是在c p u 上进行计算，然而最近 a m d 的一篇论文n 们提出了g p u 上的场景管理技术，其中包括了视锥体裁剪技 术和遮挡剔除技术。 2 ) 细节层次( l e v e l so fd e t a i l ，l o d ) 技术 在观察一个群体时，观察者能够感知到其完整细节信息的虚拟角色只占 群体总数的很少的一部分，因此把所有角色的所有细节都同样的渲染出来是 不必要的，同时也是极其降低渲染效率的。故在群体模拟中，只需对距离观 察者较近，位置相对重要的虚拟角色进行全部细节的绘制，而对那些较远且 不太重要的角色绘制模型的简化后的多边形。 细节层次技术就是通过同个角色模型的多个不断降低几何复杂性的简 化表示方法，来不断减少需要渲染的多边形面片的数量，从而提高渲染的速 4 第一章绪论 率。在渲染每一帧时，需要为每个虚拟角色选择合适的模型或分辨率。选择 的标准则通常是根据物体相对于观察者的距离大小来进行选择。 l o d 技术的关键点是多个不同复杂度的相似模型的构建，也就是，如何 有效地自动生成与原始复杂物体尽可能相似的，简化的，粗糙的3 d 模型的 问题。为了克服这个问题，a u b l e 等人【l l 】通过b - s p l i n e 片构建虚拟角色模 型。他们为每一个身体部分( 手臂、腿等) 附加一块b - s p l i n e 片。这样就 能比较容易地生成身体各部分不断粗糙的相似网格模型。值得注意的是，他 们对身体的末端部分采用比较灵活的简单纹理替代物表示，降低了表示的分 辨率，从而减少了需要渲染的三角形面片数量。 f u n k h o u s e r 和s e q u i n 1 2 】针对为一个场景中的每一个渲染对象选择最好 的分辨率提出了一种有益的启发式算法。在该启发式算法中，需要考虑几个 要素：图像空间大小( i m a g e s p a c es i z e ) ，用于减少由远距离物体带来的 复杂度；物体与视线的距离，因为在视线范围之外，视觉系统不能正确感知 物体的信息；动作，当眼睛在观察快速移动的物体时，总是模糊不清。由于 不同的物体在整个模拟中所扮演的作用不一样，所以每个物体都被赋予了不 同的优先权。为了避免物体在两种l o d 之间进行切换时发生视觉上的偏移效 果，还需要考虑滞后作用。 3 ) 替代物技术 基于图像的渲染技术的基本原理是用2 d 图像来替代多边形模型在屏幕 上显示的内容，因此也叫替代物( i m p o s t o r ) 技术。这些图像既可以动态计算 也可以预先生成。 s c h a u f l e r 等人【1 3 】和s h a d e 等人【1 4 】各自提出动态生成替代物的概念，图 像是实时生成且只要错误因子在一个阈值范围内都将继续使用而不更新。 在t e c c h i a 等人【1 5 】的论文中，提出使用预生成的2 d 图像替代物来作为虚 拟人的几何表示。对于每个虚拟人的模型都将生成一系列的根据不同视点方 向决定的替代物，在程序运行时，根据虚拟角色相对于观察者的位置，选择 最适合的图像并显示在布告板( b i l l b o a r d ) 上。不过这种技术有一定缺陷， 因为虚拟人是动态的对象，和静态的物体区别很大，它需要保存每个模型每 一帧的图像替代物，从而迅速增加了保存图像所需要的内存。 a u b e l 等人【l l 】提出利用动态生成的替代物来表示虚拟人群。这种方法相 对于预生成的方法占用更少的内存，因为它不会为非活动状态的替代物保留 内存，同时它还考虑了运动物体的变形等。替代物的生成是在需要的时候才 5 电子科技大学硕士学位论文 产生，并且利用了局部性原理，当只有摄像机偏移方向大于一个控制阈值时 才重新生成新的图像替代物。 h a m i l l 等人 16 】通过利用图像硬件成功渲染了含有几千个具有真实感人 的城市环境，而改善了t e c c h i a 的方法。 4 ) 点渲染技术 点渲染的基本原理是用大量和像素大小相差无几的点形成的点云来代替 复杂的几何体，这种使用点作为渲染图元的方法最早在1 9 8 5 年曾由l e v o y 和w h i t t e d 1 7 】提出，后来在9 0 年代后期又被重新发掘出来【18 1 。c o h e n 等人【1 9 】 描述了一个合并点渲染和网格简化的渲染技术。 w a n d 和s t r a s s e r 2 0 】提出一种复杂动画场景的多分辨率渲染方法，该算法 以包含关键帧数据的任意拓扑结构的三角网格模型作为输入，经过预处理 后，形成一系列简化后的采样点和三角形作为不同细节层次的动画网格来表 示新的模型。不同细节层次的模型间的转换则依赖于视点到观察对象之间的 距离。 5 ) 细分镶嵌技术 细分表面作为计算机图形学里面最重要的表示技术之一，它可以利用较 少的多边形数量，根据需求实时改变场景的复杂度，在真实感和性能上进行 动态的平衡。它由c a t m u l l 和c l a r k 2 1 1 ，还有d o o 和s a b i n 2 2 】在1 9 7 8 年同 时引入。通常从一个初始多边形网格出发，遵循特定的拓扑规则和几何规则， 反复细化，可以产生一系列网格趋向于最终的子分曲面。每个新的子分步骤 产生一个新的有更多多边形元素并且更光滑的网格。 2 3 描述了一种将c a t m u l l - c l a r k 表面转换成近似于n u r b s 的细分表面， 此方法对于方形网格( q u a dm e s h ) 的每个面都创建一个双立方面片。但是这 种方法要求初始方形网格至少被细分一次，从而导致新产生的面片数至少是 初始表面的4 - 1 6 倍。 b o l z 等人【2 4 1 ，s h i u e 等人【2 5 】和b u n n e l l 2 6 1 研究了直接在g p u 上动态的细 分c a t m u l l - c l a r k 表面。 2 4 和 2 5 要求那些奇异点必须能够充分的进行分 离，因为要进行g p u 加速就必须使这些顶点处于细分的同一层次。 2 6 不需 要分离奇异点，但是它需要一个额外的c p u 干预处理过程。另外，所有这些 技术都只能产生和二次细分( b i n a r ys u b d i v i s i o n ) 兼容的采样模式，这样当 面片的分辨率改变或混合不同分辨率的面片时就会导致裂缝的出现。同时， 这些技术对于支持表面细分的硬件也同样的不兼容。 6 第一章绪论 2 7 提出了一种简单且高效的近似c a t m u l l - c l a r k 细分表面算法，它使 用的是一组最小化的双立方面片。对于控制网格的每个方形化的面都构建出 一个几何面片和一对切面片，几何面片用于近似网格的形状和轮廓，而切面 片则用来构建法线场从而进行平滑着色和位移映射。同时这种算法还支持现 在的某些硬件提供的细分表面单元处理器。 6 ) 实例化技术 实例化【2 8 】是一种可以提高渲染大规模相似物体性能，且基于图形硬件特 性的技术。这项技术最初是用于如树木，草地，或建筑物等外观可以大量重 复的静态物体，但经过优化后也可能被用于动画人物角色【2 9 1 。 3 0 中提出了多种实例化方式，包括静态批次、动态批次、顶点常量和 实例化a p i 等，这几种方式中有的需要硬件支持，有的不，性能也各不相同。 随着软硬件技术的发展，实例化技术的具体实现形式也越来越多， 3 1 描述了d i r e c t x1 0 软硬件支持的实例化方式，d x i o 架构上提供了 d r a w l n s t a n c e d ( ) 等a p i ，常量缓存特性，s h a d e rm o d e l 4 ：0 提供了 s v i n s t a n c e l d ，s v v e r t e x i d 等系统变量，来支持实例化的实现。当对实例 化a p i 进行调用时，s v i n s t a n c e i d 会随着绘制实例的个数增加而自动增长， 因此我们可以在着色器代码中利用此变量来确定每个实例不同的私有属性， 从而既获得批次渲染的性能提升，同时也增加实例的多样性。 7 ) 基于图形硬件以及3 da p i 相关技术 3 2 提出了r 2 v b 技术，它的基本思想是首先正常渲染到纹理，然后将这 张纹理映射为顶点缓存以再次使用，该技术的出现使得在像素着色器里进行 顶点计算成为可能。 3 3 使用该技术对骨骼动画在g p u 的像素着色器阶段进 行蒙皮以及顶点变换的计算，它把多个角色模型渲染到一个单独的顶点缓 存，最后调用一次绘制a p i 渲染所有的群体角色。 3 4 利用d x i o 的s t r e a mo u t 特性在g p u 上进行蒙皮动画的计算，此技 术可以减少对巨大的常量缓存的更新，从而得到性能的巨大提高。同样利用 实例化技术进行批次绘制。绘制大量的动画数据只需要一次绘制调用，且蒙 皮计算一次可以渲染多次，从而在绘制大量群体角色时阴影计算方面可以得 到极大的效率提高。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 4 本文的工作及创新 本论文对群体动画渲染相关技术做了比较深入的介绍，重点研究了群体角色 的几何建模和动画建模技术、大规模群体实时渲染技术、场景加速技术以及群体 渲染管线的优化技术，在对这些技术理论研究的基础上，实现了群体动画渲染引 擎，该引擎已经成为论文所依托项目中和群体行为引擎并列的另一核心组成模块。 论文所做的主要工作包括以下几个部分： 1 ) 对群体角色的几何建模和动画建模做了细致深入的研究，同时在群体角色 的多样化方面也做了较多工作，介绍了群体角色动作，身体形态，衣服 等方面的多样性设计，从而产生数量众多但又形态外貌各异的群体角色。 2 ) 研究了大规模群体模拟的实时加速技术，其中重点研究了四叉树室外场景 管理、b s p 室内场景管理和基于硬件的遮挡剔除算法，这些技术的实现 极大地提高大规模群体3 d 环境的渲染效率。 3 ) 研究了大规模群体的实时渲染技术以提高群体渲染的真实感，包括点采样 渲染技术、替代物渲染技术和骨骼蒙皮动画技术、l o d 技术以及群体角 色渲染中所必需的各种光照技术。 4 ) 对群体渲染的管线优化进行了研究，着重于介绍渲染系统的瓶颈定位，渲 染流水线各阶段的优化方式。 本文的主要创新点包括： 1 ) 提出多分辨率的群体角色建模和渲染方法，该方法将点采样建模、2 d 图 像建模和多边形建模进行有机的结合，实现在不同建模方式的视觉平滑 的转变。 2 ) 提出了基于程序逻辑的骨骼变形技术，该技术通过程序逻辑对骨骼动画角 色的局部骨骼进行控制，从而实现对角色模型的局部进行如大小、长短 及粗细等方面的改变，形成外观的多样性。 3 ) 本文还提出了一个基于d i r e c t x1 0 几何着色器的对点模型进行预处理和 渲染的技术，该技术利用几何着色器在一定程度上提高了点模型的渲染 效率。 1 5 本文的篇章结构 全文共分为7 个章节，细致深入的研究了大规模群体动画的实时渲染技