（计算机软件与理论专业论文）基于可编程图形硬件的实时图形技术研究.pdf

摘要 计算机实时图形拽术是计算机三维游戏，计算机辅助设计尚制造( c a d c a m ) ， 数字媒体创作( d c c ) 、虚拟现实等领域中的基本闯题。最近几年，随着这魑应用 领壤豹飞速发浸，入 f 】怼实霹图影瓣要求迄越来越麓，挺窭了瑟莠复杂赘，遥 真再现真实场景的实时渲染要求。为了满足这些成用领域的黼求基于图精处理 器( ( g r a p h i cp r o c e s s i n gu n i t ) 的实时渲染技术成为了计算机鼹形学的一个霾要 戆繇究方赢。 文辫主要研究了撼于最新g p u 的实时渲染技术，主要涉及以下方面：逐像素 光照计爨、实时阴影、材质与丝绸材质的渲染及紫皮网格体的渲染。此外，文章 还结食佟者擦来匏工终，篱要窝述了基于镬律谯纯熬萋本琢粥；考虑鬟实辩强形 技术近几年一的飞速发展，文章涉及到的图形处理器都是支持s h a d e rm o d e l2 0 及以上版本的。上述均体现文章紧密结合日新月转的实时图形渲染技术，跟上时 蘩透豹步伐。疆下燕文章吝章繁瓣内容篱奔： 第1 章绪论。主强介绍实时图形技术的羹臻性、国内、外研究的现状、课 题研究的星的和意义以及论文涉及的关键技术。 繁2 牵系统开发麴核心技术。主要介绍诗赣掇实辞踅形及软硬律乎裔穗关 “ ， + 的技术。其中首先介绍了计算机图形学及三维向燃代数的基础知识，随后介绍了 ， 图形硬件鄹图形应用缡程接口( ( a p i ) 的发展，势从应用焦度分柝了图形软硬件的 发震趋势。 4 第3 章系统开发的详细设计。酋先介绍了逐顶点光照和逐像素光照的隧别， 以及逐像索光照在本系统中的实现，然后介绍了几种经典的阴黟生成方式以及它 们懿致滋和实现，提爨蒸于s h a d o wm a p p i h g 酶软鞠影，竣避簇予g p u 静s h a d o w v o l u m e 技术。随后是在本系统中实现的基于光学的玻璃与基于b r d f 理论的丝绸 材质渲染技术，最后介绍了蒙皮网榕体动画的渲染技术，并搜用g p u 加速投术提 高了谴链。文章还结会具体实魂缨节提密了一黧慧予图形硬 学瓣渲染挠诧技术， 第4 章研究工作总结。对以上备章介绍的技术、方法进行了总结，指出其中 的创新点及有待改进敬地方。 关键掌：g p u ，实耐渲染，鞠彩，蒙疫网格 薷1 页 肇于越编攫戮搿艇 牛的实时躐形技术舔究 海师越大学硬萎学位论文 a b s t r a c t t h er e a l t i m er e n d e r i n gi st h eb a s i cf o u n d a t i o no f3 dg a m e s ，c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ( c a d ) ，c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e ( c a m ) ，d i g i t a lc o n t e n t c r e a t i o n ( d e c ) a n dv i r t u a lr e a l i t y 。w i t ht h e s ea p p l i c a t i o n sg r o wr a p i d l y i nr e c e n ty e a r s ，t h er e a l t i m er e n d e r i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t g p ub a s e dr e a l t i m er e n d e r i n gt e c h n o l o g yc o m e sf o r t hi n 曲i ss i t u a t i o n t h ed a p e rf o c u s e st h eg p ub a s e dr e a l - t i m er e n d e r i n gt e c h n o l o g i e s i t i n v o l v e st h ef o l l o w i n gp a r t s ：p e r p i x e ll i g h t i n g ，r e a l t i m es h a d o w ，g l a s s a n dv e l v e tt e x t u r er e n d e r i n g ，a n ds k i n n e dm e s hr e n d e r i n g b e s i d e s ， a c c o r d i n gt ot h ea u t h o r sf u t u r sw o r k ，t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e ss o m e g p ur e l a t e do p t i m i z a t i o nm e t h o d s b e c a u s eg r a p h i ch a r d w a r e e v o l v e s r a p i d l ya tp r e s e n t ，a 1 1t h eg p ui n v o l v e di nt h i sp a p e ri ss h a d e rm o d e l 2 。0l e v e lo ra b o r e ， c h a p t e r1 ，i n t r o d u c i n g t h ei m p o r t a n c eo fr e a l t i m er e n d e r i n g ，t h e f o u n d a t i o n ，t h er e s e a r c hp u r p o s ea n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c t b e s i d e s ，t h ek e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e di nt h ep a p e ra r ei n t r o d u c e d c h a p t e r2 ，i n t r o d u c i n gt h ec o r et e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，i n c l u d i n g _ g r a p h i ch a r d w a r e ，v e c t o rm a t ha n d3 da p i c h a p t e r3 ，t h i sc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e t a i i so fp h o n gi l l u m i n a t i o n m o d e l 。p e r p i x e ll i g h t i n g ，r e a l t i m es h a d o w ，f r e s n e lr e f l e c t i o n a n d r e f r a c t i o na n ds k i n n e dm e s h ，t h e nt h ei m p l e m e n t a t i o nd e t a i l si sp r e s e n t e d t h ei m p r o v e m e n t so fm ym e t h o da r ea l s oi n t r o d u c e d 。a l lt h ei m p l 6 m e n t a t i o n isb a s e do na d v a n c e dg p u s c h a p t e r4 ，c o n c l u d e s t h e s y s t e m ，p o i n t s o u ti n s u f f i c i e n c i e sa n d i n n o v a t i o n ，a n dp r e d i c t st h ep r o s p e c to fv a r i o u st e c h n o l o g i e si nt h i s a r t ic e k e y w o r d ：g p u ，r e a l - t i m er e n d e r i n g ，s h a d o w ，s k i n n e d m e s h 第i i 厦 萋 二冒鳊覆瓣缮硬锋戆实对黧形控幕簿 究上海帮蓬大学颈圭掌瓴论交 1 。1 尚题的提出 第一章绪论 计算机实时图形技术是计算机三维游戏，计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 、 数字媒体制作( d c c ) 、虑拟现实等镢域中的基本研究问题。随饕这些应用领域的 飞速菠鼹，实靖渲染蔹寒显霉越蘩越蓁要。 基予图形处理器( g r a p h i cp r o c e s s i n gu n i t ，简称g p u ) 的实时演染技术的 研究正怒在当前这种环境下孕育而生。本文研究w 编程硬件环境下实时光照演染 技米，主整零j 震霹编穗强影疆傅写褰缀渲染语富缀合数学写秘壤赧识鼹玻璃秘丝 绸材质进行了模拟实现，并对s h a d o wv o l u m e 算法做出了改：i 获，为能更真实地模 拟现实世界奠定基础。 1 2 国内外研究动态和水平 1 2 。1 潮辨研究动态秘现状 鞋静妖美、丑本焱安睡圈形矮城方嚣起步拳、技术也较舞威熬，它们誊萋共 同的特点，即p c 游戏软件产业和童机( c o n s o l e ) 游戏软件产搬都很发达，冀中美 国和日本分别是p c 游戏和主机游戏软件发行量煅大的国家，这两个国家不仅在 实时舀形骢获馋技术方露领先，璜传上更是处于糖器垄凝蘧缀。翔美国萋名鹃强 形芯片设计公司n v i d i a ，其图形芯片占据全世界6 0 以上的市场，日本在图形芯 片的设计上也颇具实力，如p l a ys t a t i o n 系列游戏主机的图形硬件均是日本独 立嚣发懿。 美豳上世纪六十年代末开始，由于军用模拟飞行的需要，实时图形技术的研 究就得到荧国国防部的支持。上世纪九十年代中厨期，计算机三维游戏的发展尤 其是i ds o f t w a r e 公镯豹毁灭藏士农霉毒孛之镪这嚣款游戏貔推出，大大 地推动了对实时图形技术的需求。草期的三维游戏中，屏幕上所最示的三维图形 第1 页 基于可编羲臻形褒俸鹩实时嚣澎接寒磁宠海撵拖太学硬：e 攀绽论文 是完全采用c p u 计算出来的，性能的限制导致屏幕分辨率比较低，如毁灭战士 游戏中哭骚采尾3 2 0 * 2 4 0 这榉较低鹣羼纂分辫攀。睫蓑三维粼形魉速卡敬攘邂， 人们就熬于这些圈形硬件研究各种复杂的、能最大限度摸拟炱实环境的实时图彤 技术，因此实时图形披术是随图形硬件的发展而发展，老技术随着图形硬件的发 震恧逐步淘汰，薮技零到夔之被提擞。 在美图等国家，实时图形技术程最近几年发糕得尤为迅遥。从1 9 9 8 年到2 0 0 5 年，图形处理器的发展远比中央处理器的发展迅速，中央处理器发展遵循滕尔定 理，性能每1 8 令月懿一凝，薅图形处理器夔缝女尼乎半年熟爨。2 0 0 5 肇熬型 的图形磷件( 如n v i d i ag e f o r c e6 8 0 0 g t ) 的渲染熊力是1 9 9 8 年典型图形磷件( 如 n v i d i ar i v at n t 2p r o ) 的i 0 0 0 0 倍! 实嚣誊强彩软饽移楼转瓣菱震墩囊晕熬羽予l 实靖洼染的簿法褥戳实辩缝实 现，如谯七十年代末嬲提出的用予绘制阴影的s h a d o w v o l u m e 算法在缀近的 图形硬件上都得以实现。 为了缝够在实露辫形镶域款磺究取褥一定夔遴震，硬突王馋鬏充分氆嚣嚣豁 的研究成果，此外，还必须充分圭趣发掘现有图彤硬件的潜力。 1 2 。2 毽凑研究动态季鞋现状 国内窝时图形技术方面的成粜与国外相比明显落后许多。阔内是近几年随肴 网络游戏的舞湿才开始发展起来既。浙江大学在翠期虽然傲过不少图形图像方露 的研究，但缀少莛纂予实对渲染静，但透年来露穰关静论文发表。慈静来说代表 着国内图形领域最高研究水平的浙江大学与国外的研究水平仍然有相当大的差 距。 由于许多技术蹩i 磊几年才被遁乡 学者提出，所以诸多静新名词和概念凌秘前 仍然没脊统一的中文翻译，文章对于这些名词和概念将采用中英文混合的方式表 达，诿黉要结合上下文来理解。 1 3 研究的目的和意义 诗雾祝实嚣鼙形技零是诗算撬三维游戏，诗舞掇辏韵设诗毒麓造( e a c 勰) 、 第2 页 摹手霹缡撼辫彩嫒舞鲍窭对嚣彤技术霹 究上海秘程大学疆j ：警像论交 数字媒体制作( d c c ) 、廉拟现实等领域中的基本研究问题，文章的意义在于为这 些应用领域提供先进的图形技术支持。 文露中辑讨论的技术主要钟辩安对三缝游戏，氇能斑雳予计算机鞲筑设计、 虚拟现实、计算机仿赢等领域。 1 4 本文曩l 裂魏关键菠零 1 4 i 计算机图形学及康拟现实技术 计算机图形学和艘拟现实技术怒实时图形技术的理论基础，同时也是圈影硬 件设计时参考的准绳。文章里涉及剡的光照模型、几何变化、视觉模型和阴影技 寒等都楚计羹极萋形攀瑾论菠应残。攫攒理实搜零在显示软袋终、太褪交蠢瑗谂 领域主导麓实对图形技术的发展。文章所涉及劐的技术都是建立在计算机躅形学 和虚拟现实理论基础之上。 1 4 2dir e c t 3 d 9 警s h a d e rm o d e l2 0 d i r e c t 3 d 9 是微软公司最新的鬻形编疆接暖，在d i r e c t 3 d 瓣驱动模鍪絮梅 下，任俺厂商都可以开发支持d i r e c t 3 d 9 豹硬件。一微软公司不仅掌握着圈形缩程 接口的制定权，还主导着图形硬件的发展，在新钓操作系统核心l o n g h o r n 上， 微软提爨了w g f ( w i n d o w sg r a p h i cf o u n d a t i o n ) 絮梅，黔f 扶艨用编程接口( a p d 、 驱动程侉架构( d r i v e rm o d e l ) 和磷 牟功能上定义了一套全耨的图形系统。其中 w g f i 0 就是d i r e c t 3 d 9 在l o n g h o r n 下的版本( 也称做d i r e c t 3 d g l ) ，w g f 2 0 就是 d i r e c t 3 d l o ( 或d i r e c t xn e x t ) ，嚣靛弹g f 2 0 驰媛范仍然在测定当中，悠霹戳 肯定的怒，w g f 2 0 的撤出将会进一疹排挤o p e n g l 的应用领域，o p e n g l 在w i n d o w s 平台上将逐渐被d i r e c t 3 d 取代已经悬不争的事实。 s h a d e rm o d e l2 0 是随着d i r e o t 3 d 9 懿发鸯露弓l 天静霉形硬传着色器横鍪。 相对于s h a d e rm o d e l1 1 ，s h a d e rm o d e l2 0 支持更多的指令和更长顶点处理 程序及像素处理程序。特别是在像索处理上，计算精度由原来的定点整数变成了 2 4 位的浮点数， 冀精度煞挺毫馒渲染蹬熬强倦震量褥到了壤的飞跃。鹈要撵 第3 页 基于缡疆蘩形嫒转斡实程鬻蟛技术疆竞 上海梅蓬夫学疆= b 举窿论文 出的是，s h a d e rm o d e l2 0 是一个硬件标准，数然不同硬件厂商( 如n v i d i a 和 a t d 都在遵德s h a d e rm o d e l2 。0 酶蓥醚上开发了不冠懿硬俘产磊，延怼予疲瘸 程序来说，只要按照s h a d e rm o d e l2 0 的规范编写，都可以僳证正确运行在不 同厂商的硬件上。 第4 页 基于毒编穰藏形硬辞静实霹嚣髫技寒疆完 上海撵藏太学矮士攀经论文 第二章系统开发的核心技术 2 。1 3 d 数学理论 向量、矩阵和必元数广泛应鼹予运动控制稿计算极动藏中，套必要篱簧说稿 一下囱羹、矩阵窥西元数豹理论。 2 1 1 向量 向爨有两个基本属性：长度和方向。 向爨的长度叫做向最的模。模锝予1 的向量h u 做单位向量。模等于0 的q 做 零两量。零囱量翁舅囱霹竣看终是骚塞兹。翼鸯鞠嚣懿长度帮方囱戆交蠢较谈为 是相同的向量。向量材一维、二维、三维，多维的。不同维数的向量的计算旗本 是一样的，除了叉乘之外。这里以三维向量v ( x ，i ，z ) 说明。 1 惫囊鹭模 i 矿i * 2 + y 2 + z 2 2 。国爨躲单位他 单位纯居的向量为v ( x ，y z ) ， x = x lv | ，y ；y l v ，z = z i v j 3 翔爨的缩放 v = k v = ( k x ，k y ，k z ) ，( k o ) 4 向量的点乘 设蠢两个囱量v l ( x l ，y l ，z 1 ) ，v 2 ( x 2 ，y 2 ，z 2 ) ，点乘楚个爨璧，结巢楚个数 字。 v l v 2 = x l x 2 + y l y 2 + z l z 2 5 。超爨瓣叉乘 设肖两个向量v 1 ( x 1 ，y 1 ，z 1 ) ，v 2 ( x 2 ，y 2 ，z 2 ) ，叉乘结巢怒个矢量，怒另外 一个向撰。 v l v 2 = 一v 2 v l = ( y l z 2 一z l y 2 ，z l x 2 一x l z 2 ，x l y 2 一y l x 2 ) 第5 页 基于可壤稼糕澎琰 串麴实时辫澎技术婿究 主簿静蓬犬学醺圭掌搜论文 2 1 。2 矩阵 矩酶楚若干量( 数字、函数或数傻表达式) 韵长方形阵列，这些量称为该矩阵 的元素。帮行或单列的矩阵炭示一个向量，通常斑阵可以看作为行向量或列向量 斡集合。 这照主要讨论4 x 4 矩阵，排列形式如下： m = 0 00 1 l o1 l 2 02 王 3 0 3 l 0 2 0 3 1 21 3 2 22 3 3 2 3 3 单位矩阵是除了生对角线上元綮为1 ，其他元素都为0 的矩阵，如下： 这燕攀整阵建 表示) 10 o1 o 0 o o o0 oo 王o ol 1 耀阵的转置 矩黪鼹转置很篮摹，就是使辩i j 农骶i 对弼，使行是嚣变为列赢量。蜒躲的 螽 列形式如下： i f = o o1 0 0 11 1 0 2王2 0 31 3 2 0 3 0 2 l 3 l 2 2 3 2 2 3 3 3 第6 页 望登：竺堡篷鎏鍪鐾鲎鳌茎壁篓受墼查堡窭 羔整塑篷墨兰堡主篓蕊整兰 2 姬阵相加 两令可以提趣懿矩阵( s ，t ) 燕其毒枢同静舒数秘到数的。掇热褥到懿黻滤矩 阵的各个元素是被加的矩阵豹相应位置豹各个元素之和。鄄： m i j = s i j + t i j 3 。缀阵稳黍 两个矩阵可以相乘的前提条 率怒第一个矩阵的列数等于第二个矩阵的行数， 这样两个矩阵才能相乘，所以矩降乘法不符合交换律。 矩黪楣乘的援列憋： m 泸芝b 诸t 码) ( n 是矩阵s 的列数和t 的行数) 4 。雉障熬逆矩辫 如聚矩阵s 和了存在下面关系， s t = t s = i ( i 怒单位矩阵) ，那么s 是t 的逆矩阵，可霹为卅l 。 只露行残式不为0 敕矩箨才存农遂矩终。 旋转矩阵的逆矩阵是其转置矩阵。 平移矩阵的逆矩阵如下： ，t - i = 关予旋转矩阵和平移矩阵的概念在图形变换技术中介绍。 5 矩阵的幂 一簸对方簿送行箨运冀。 m 1 就是m 的逆瓶阵； m o = i ： m i = m ： m n = b l m m ( n 个m 相乘) 6 怒障转化成欧披角 奁蠢多个矩薄稠黎时，矩阵庄浆释右黍箨溺鞭淳是不溺静。眈妇矩终淞r s t ， 第7 硪： t巧疋， 一 一 一 o o l 转 o 1 o e 1 o o 0 t 0 乏， o o l 0 o l o o l o o 孬 莲子毒壤簿鬻嘭瑛转豹实对撵鼯技末掰 宠霸繇箨笾大学疆一学救论文 在左乘时，先发生作用的矩阵是t ，其次是s 和r 。如果是右粱，则先发生作用 鲍是r ，竣若是s 窝l 。 镁设欧拉角的次垮是绕y 轴旋转，再绕) ( 轴旋转n ，最后绕z 轴旋转y 则所得的旋转矩阵为： m = m ，m ；m ：= c e b d 蹬 一d e 牛b c f o c 攀年8 d e 越 髓 一毽 d f + b c ea c oo 箕中，a = c o s g ，b = s i n a ，c = c o s 瑟，蚤= s i n 彗，= c o s ￥，f = s i ny 。 由m 1 2 = 一b 可以求得s i na 和c o sq ， 由m i o = a f 和m 1 1 = a e 可以求得= c o sy 和s i nv ， 由m 0 2 = a d 蟊m 2 2 = a c 霹螽隶褥c o s 窥s i n 。 如果a = o ，表示脊万向节锁问融存在。欧拉角和万向节锁的概念下节介绍。 2 1 3 强元数 首先谈谈欧拉角：欺拉角本来魁航天飞行模拟器中表示飞机方位的术语，欧 控角被定义先( r o l l ，p i t c h ，y a w ) ，攘当绕x ，y ，z 辘懿旋转建澄。惩欧控麓堪乏表 示旋转怒非常方便简清妁。但是它裔_ 个问题：就是会产生万向节锁。 万向节锁是使用欧拉角产生的瘸悉现象。因为最后的旋转矩阵依赖于多次旋 转的宠聪次序，爨潋蠢露候绕一个辍戆旋转会被漱瓣裂到另终令辘上去。楚壤 糕的是，它甚至使在菜个轴上的旋转不可实现。比如，假设一个物体被旋转的顺 序依次是z ，y ，x ，并且绕y 轴的旋转角度是9 0 发，这样，首先绕z 轴旋转，然 嚣绕￥辍旋转，燕鞋，z 辘被转到了x 辘，这棰任 霉在x 轴上豹麓转实菰上羧楚 _ 在z 轴上豹旋转。 使用四元数有两个主要的理由：避免万向节锁，在旋转时允许平滑插值。刚 才浚了，万自节镁是一耱客曩影瞧戮欧拉受表现躲瑰象。本爨主滋，它意喙麓露 将在某些时候失去角壤上的自由性。这归咎于欧披角总是以球嫩标系表示。绕着 个轴旋转不能够再适应其它的轴，你可以在一个位置停止，旌：那里两个轴的作 霹程互羝游簿了，那番起来载好豫焚孛一令辘瑟了一襻。器元鼗蘸不会遭受万囱 节锁的痛藩，因为它不用三个分离的轴表示旋转。使用四元数的第二个理由，就 髂8 页 摹手编纛辫澎骥释静实辩燕骺技术研究上海螂篷大学磋l ：拳搜论文 是其可实现两个状态间的平滑插值。四元数支持球形线性插值( ( s l e r p ) ，那意味 着点浴整避髂表露传攒簸像健锕从个方佼移到贯於一个一样。 1 + 潮既数概念 一般复数是一个实部和一个虎部，写成c = x + i y 。四元数( ( q u a t e r n i o n ) 把 复数概念扩充到离维。一个四元数蠢一个实部( 撂囊部分) 帮_ 曼个虚部( 自爨部 分) ，写为： q = s + ia + j b + k c 或者q = ( s ，v ) 其中，虚数项系数a ，b 霹e 是实数：参数s 连是实数，家跫蠡量部分。 参数i ，j ，k 有如下特性： i 2 = j 2 = k 2 = 一1 ， ij = 一j i = k ，j k = 一k j = l ，k i = 一i k = j 单饿四元数q = ( 1 ，( 0 ，0 ，0 ) ) ： 四元数的模：如2 + 口2 + 6 2 + c 2 擎键纯黔西元数的蒋点是其摸麓i ，郅：也2 + 8 2 + 蚤2 丰c 2 = i 。 2 四冠数的运算 ( 1 ) 绷元数的单位他 s c a l e = 每2 + 牙2 + 6 2 专c 2 s = a s c a l e ，a = a s c a l e ，b = b s c a l e ，c = c s c a l e ( 2 ) 嚣元数熬如法 q l + q 2 = ( s l + s 2 ，v l + v 2 ) ( 3 ) 飚元数的乘法 q l q 2 = ( s l s 2 一v l v 2 ，s l v 2 + s 2 v l + v l x v 2 ) ( 4 ) 潮元数的点莱 d o t ( q l ，q 2 ) = q 1 sq 2 。s + q 1 aq 2 a + q 1 bq 2 b + q 1 cq 2 c ( 5 ) 麓转辘寒旋转爨转换秀西元数 第9 页 羔妻墨翌委鍪! 燮熊茎篓翌篷查鐾茎 圭鼗塑整奎差鐾主量璧鎏奎 已知旋转轴u ( x ，y ，z ) 和绕u 旋转的角o ，则 s = c o s ( 0 2 ) ，v = hs i n ( e 2 ) 西元数转换为旋转抽( x ，y ，z ) 和旋转角9 0 = 2 a r c c o s ( s ) 若e q 则u x = v ，a s i n ( e 2 ) ，u y = v ，b s i n ( 9 2 ) ，u 。z = v 。c s i n ( 9 2 ) ： 若9 = o ，刚认为绕旋转轴无旋转，可使u = v ( 6 ) 凹元数转换为旋转矩阵 由翳元数转换为旋转矩蓐如下； 1 2 1 , 2 2 c 2 2 a b + 2 s c 2 a c 一2 s b 2 a b 一2 s c 1 2 a2 2 c 2 2 b c + 2 s a 0 0 ( 7 ) 旋转矩阵m 转换为四元数 2 a c i - 2 s b 2 b c 2 s a t 一2 a 2 2 b 2 0 有了上面这个矩麟，就可以反求四元数了。 麓；一赫 l + 陵产( 1 - b 2 一e 2 ) = 4 s 2 由上式可解出s ， 由m m m 0 ，= 4 s c 可解出c ， 垂麓。r = s b 可释爨b ， 由m 2 。一m 。= 4 s a 司懈出a 。 ( 8 ) 欧捉角转换为躁元数 缓设对应予x ，y ，z 璇熬致箍建为a 、s 耧￥， 由旋转轴x 和旋转角a 得到四元数q x ，即： q x = ( c o s ( d 2 ) ，( 8 i n ( 2 ) ，o ，o ) ) ； 宙麓转车蠡了窝麓转角参褥囊滔元数q y ，： q y = ( c o s ( b 2 ) ，( s i n ( b 2 ) ，0 ，0 ) ) ； 由旋转轴x 和旋转角y 得到四元数q z ，即： q z = ( c o s ( ￥2 ) ，( s i n ( ￥2 ) ，0 ，0 ) ) ： 最后得到的四元数是q = q x q y q z 。 第1 0 页 莲手可犏稳糕鼯硬擎 懿窭孵蒸澎技末磷究 ：辩爨蓬走学袋l ：学位论文 2 2 计算机三维图形学 2 2 1 闰形学基础知识 计冀搬三维图形蜜际上是在乎甄豹计算撬羼嚣上鲍二维躐像，它只是揽供了 第三个维度鄂深度静税觉效果，葡不是两幅图像从不淘透视角度落在两只目琵睛 上，因此并不是真实馓界中的三维，从根本上三缎计算机图形实际上是通过透视 和其他一黪处理方式，褒平蘑的计舞瓠上创造三维援觉。这秘获褥黠三维对象戆 凡何描述并把它交藏搽幕上图像的行为就称为“演染”，为了谨计算杌屏幕上获 得三维视馓，使用的渲染方式通常脊以下几种： 1 ) 遴褪法：透横法是掺幂用线段之闽的兔发弓 超三维锩爨懿绘制方法。 龟彩和明暗；除了利用线段进行绘铡外，对于实心的对象可以根攒它各 个部位的色彩与明暗的不同来制造出三维的视觉效果。 3 ) 炎照露唆瞳处理：绘一个辩象增热适当鼹翳蹙和阴影楚理可以潮迄蹬照 嘲的错觉，这种渲染方式也w 以进一步增秀玎对象的真实感。 4 ) 纹理贴图：对于一个表面幽凹不平的具霄质感的对象，虽然可以用数以 万诗躬繁套锻彩光照秘骥彩弱小多边形袋实瑷褰度黪真实感，毽怒爝到 的几何图形越多，渲染所税费的时间就越长，而如粜采用纹理贴潮的方 式将对象真实液面的图片成用到多边形的表殛，就可以用比较简单的多 媳形产生出较褰戆粪实感。 5 ) 雾化：雾化爨一种大气效槊，它绘场崇中的对象增加朦脱感，这静艨胧 感通常与被观察的对象与观察者之间的距离有关，因此可以充分造成三 缓锺觉； 6 ) 混合和透明发；混合是指场景中的颜色或对象的混台，通过改变每个对 魏与场景混合的比例，可以长生透明、魇射等多种效果。 7 ) 芨走襻：出予诗冀壤屡摹土弱图像宙囊数戆强素表示，强筵会在逑缘零 分出现一种叫做“锯齿现象”的效栗，潲除这种锯齿现象的技术就口q 做 “反走样”或“抗锯齿”，运用“反走样”可以使场景或对象看起来更 攘囊实。 辩1 1 页 莲于冒壤嚣粼鼯艇释豹实孵黧蟛技术骥竞l ：海辫蓬文学鹾士擎徽论文 2 2 2 视网变换 窗嗣区是用户定义豹用来殛黎熬个物理空阕靛矩形区域，入们选择不潮的窗 口，就可以看到不同的景物，一般泉说，窗口代袭的是一个实现物理世界里的实 体，相威懿它的度量墩是壤理坐标。经俺小于或纛等予羼幕域郄视图区，挺圈 代表的怒斑示屏主的一个矩形区域，丽不是物璞髓器豹一个实体，它的度璧单位 是屏幕设备坐标单位。 当我髓褥到了从巢个窑墨中鼹察瓣景物后，凝霭要将其显示到屡蓁上黪装 个视图氍域中，这时，我们就需要避行窗口视图变换，在用户徽标系下，衡翻区 的四边形的定义为w x l ( x 左边界) ，w x r ( x 右边界) ，t f y b ( y 底边界) ，w y t ( y 定边 赛) ，其校应兹屏幕试阑区在设蚤坐标系中分别为v x kv x r 、v y b 、v ￥t ，鬟l 在麓 察平面上的点( x w ，y w ) 对应屏幕视图区中的点( x s ，y s ) ，箕嫩标变换公戴为： x s 。螋二丝l f 姗一u , x z ) + 腿 粥；姨一臌) 、 y s 。( r r t - v r b ) ( r w w y b ) + p t b ( w r r w y b ) 令： 口( v x r - v x r ) ”6 ：胤二鲣：塑2 脱 ( w x r - w x l )t ( w x n w x l ) c ( v r r - 联b ) 蠢；燃，鬯：塑! 赫 ( w r r - v e r b ) ( w r r - w y b ) 戴上袋可敬纯筵为： x s ax 盖w + b ；y s = c x y w + d ； 三维的窗口视图变换的过程如下图所示： 从j 越用狸庠 得到形体的 用户坐标 变换到观 察坐标系 对观察窗口的 用户窗口进行 裁减 搽1 2 页 投影到二 维窗口区萋焉b 备坐标系l 一一 薹主兰鳖墨篓墅鐾釜箜兰茎嬖受垫查翌茎 璧墼篓堡茎兰鍪兰兰譬! 塑曼 图2 - 1 窗白视图三维变他过程 2 2 3 兰雅垒耨变羧 三维图形的几何糕阵变他的般形式可以耀一下矩阵t 淡承 强1 1 a 1 2 a 1 3a i 4 i 1 2 a 2 2a 2 3a 2 4 f r ” 口3 l 4 3 2 口3 3n 3 4 l a 4 1a 4 2a 4 3a 4 4 l l 、平移变纯： 将图形的所有的点的左边增加( 1 a x ，缈，船) 糟比例变换的参考点免( x ，r yr ，2 f ) 其变换阵必# f s ，00 ( 1 一文) 4 等f 1 1 0s ，0 ( 1 一s y ) + y ，l ”00 s ；( 1 - s ：) + z ， 。爵1j 绕坐标轴的髓转变换： 猩右手坐标黎下辐对手坐标露原点绕坐援辘旋转焦拶的变换公式燕 a 。绕x 羲藤转 辩 3 页 -l11i，illtllj 眩疆、 $ jlliii_lrl【ltlfj 酝却止， 0 0 l 8 0 1 o 0 l o o 陵仁墨歙飞1；吖；例b博。哺拽、比 芍 f ，-， 苇y z 一 一 一 量 0 0 l 鑫 o 1 o o 豺，m m潞， ， 魏0叫啦!毽 0 0 s e 0 髟o 9 您一m旧潞 、，。，or。，；羹 f ， ， 茅y # l 0 0 l o o 1 o 0 疆m吣。沦、 b 纂予毒编程莲j 錾硬箨舞实辩瓣形技末研究 上海邶范天学鹾士攀靛论文 伊 f 1 00 ：1 0 e 。s 毋一s i 拄窘 1 0 s i n oc o s o l o oo c o s 0 一s i n 8 s i n 0c o s o 0 0 og ； 2 3 可编程图形硬件与高级渲染语言 2 3 。1 图形硬件的发展过程 匿形硬件是最近几年才发震越来的一个热门领域，目前仍在不断发展中；瀵 费级刘潮形硬件的券凝是3d f x 公司在1 9 9 6 年接积静v o o d o o 爨卡，最翠的v o o d o o 显卡仅支持光栅化，并不支持光照和几何变换，所有的几何和光照计算都怒放在 c p u ( 中央处理器) 上完成的，由凰形嫒馋去完成光援忧过程中的计算，妇像素捶 僮p i x e li n t e r p o l a t i o n ) ，透视校正( p e r s p e c ti r ec o r r e c ti o n y 等，包瑟最后 阶段的填充和绘制均怒由图形硬件米完成。从1 9 9 6 年至1 9 9 9 年，图形硬件在架 构上并来发生很大变徒，其勰有除3 d f x 外的其它公司也推出了鑫已的图形硬件 产品，工伟原理和葫黥类似予v o o d o o 系列，魏n v i d i a 的r i v a l 2 8 系确、a t i 公 司推出的r a g e 系列，t r i d e n t 公司摊出的9 8 8 0 系列等，值得一提的是n v i d i a 公司在1 9 9 8 年年底搬漱躲t n t 系列，t 腿系列支持3 2 b i t 颜色输蹬，丽此时v o o d o o 3 仅支掩1 6 b i t 颜色输接，3 2 b i t 颜色输出在那时是具有革命性能，这也奠定了 第1 4 页 md习 ：| i o酬。 蓬手霹编嚣溪黟疆 牛羲窭霹蹬黪接寒臻究 上海朔范夫学矮士学靛论文 图形硬件发展标准的慕础。1 9 9 9 年年底前，所有的图形硬件均不支持几何变换 和光照的功能，n v i d i a 公司推出的g e f o r c e2 5 6 泼变这秘禺甏，g e f o r c e2 5 6 将 几何变换和光照( t r a n s f o r ma n dl i g h t i n g ，简称t n l ) 引入至图形硬件，从丽使 c p u 从繁爨的计算中解脱出来。由于图形硬件在设计时完全基于s i m d ( 单指令流 多数据溅) 鲍处理器横溅，敷以图澎硬锌在进移足谤变换和毙照薅有逶焉功靛处 理器无法沈拟的优势，藏矩阵运算的能力明显商于同期c p u 。除t n l 外，g e f o r c e 2 5 6 还引入了d o tp r o d u c t ( 点乘) 的纹理操作方式，具体作法怒将两个纹理取样 故结果遂雩亍点乘，这秘凌链为逐像豢必照( p e r p i x e ll i g h t in g ) 计算鬟供了霹 能，后激的一段时期内，各厂商陆续推出了舆肖类似功能的产品，如a m 的 r a d e o n 7 5 0 0n v i d i a 公司也推出了g e f o r c e2 系列，g e f o r c e2 系列只是在g e f o r c e 2 5 6 戆嫠礁上撬寒了缎强效率，功戆上劳没有改滋。 g e f o r c e2 鞋菸豹黧形硬 件都是不可编程豹，箕工作原理就怒：应用程序通过应用编程羧船( a p i ) 指定硬件 的工作方式，如：是省扁用雾，是否启用纹理贴图( ( t e x t u r em a p p i n g ) 等，然后 疆转按照攀先没诗好鳃王终滚捱依次迸毒亍霓谤变换、必照诗舅、必援证等疹骤， 直到最精攫示，用户只能指定几种肖限工作状态，硬件不支持的工作状态只有通 过c p u 来宛成，这样的工作方式限制了图形硬件功能的扩充，因为相对于各种各 撵懿簿浚，图形硬捧攥供见琴孛毒黢憨功憝是远远不够豹。豢譬戆瀵费级霹壤程 图形硬件怒n v i d i a t 公司于2 0 0 0 年9 月推出的g e f o r c e 3 ，g e f o r c e3 引入可编程 顶点流水线( p r o g r a m m a b l ev e r t e xp i p e l i n e ) 的概念，顶点的几何变换和光照都 霹鞋撵糖矮声指定懿方式进行。与不霉壤程疆穆零震区剩是：惩户撵定疆佟王终 状态时勿须使用预先规定的状态，而是编写硬件阿执行指令，与c p u 非常相似， 所以后来可编程图形硬件也被称为g p u ，这样图形硬件就可以究成用户自己设计 夔各耱鑫群戆算法。瓷今，露经是鸷逶兹圈形热遮专，其中豹潮形筵理器都懿经 发展成为县备强劲性能并且灵活易用的处理器。这些图形处理器不仅储存带宽 大、计算能力优异，而且其所具有的可编程顶点及像素处理单元支持浮点运算精 度兹自鬟逶算，h i g hg e v e l s h a d i n gl a n g u a g e ( 麓缀羞垂语言) 雯燕对疆熹及像素 处理流水线提供了良好的可编程性支持。 2 3 。2 滋色器模型 薷l s 贞 燕子霹缡鹱瓣澎程转的窭时瓣形接末霹 究 t 淹簿蓬大学硬士拳链逢支 着色器模型的概念是随着微软公司推出的d i r e c t 3 d8 0 而引入的，它是可 编程图形疆l 牛的软 牛接口，嚣时也娥定了图形硬传必须具备俺秘能力。d i r e c t 3 d 8 0 中| 入的s h a d e rm o d e l 的版本怒1 0 ，s h a d e rm o d e l1 0 ( 以下简称s m i o ) 其在顶点处理和像豢处理上规定了硬件的功能，分别对应着v e r t e x s h a d e r 和 p i x e ls h a d e r 。由予攀翘硬传的缝壤s g 力有限，掰戳在s m l 0 审，像素处理豹可 编程能力较弱，p i x e ls h a d e r1 1 中，只允许使用最多4 条纹理指令和8 条数 学运算指令，而且对不同硬件寄存器的读写都有限制。与v e r t e xs h a d e r l 0 相 比，p i x e s h a d e r1 1 豹可编疆& 力裁弱多了，它只能实现一些基本戆纹理混 合和数学运算操作，德与d i r e c t 3 d7 0 相比，煎像素处理功能已经有穰大的提 高。需要指出的是，s m 是软件接口，底层硬件实现上，一条v e r t e xs h a d e r 或 p i x e ls h a d e r 撂令并对连一条磺传撵令，最晕豹s m i 0 瑗黪n v i d i ag e f o r c e 3 上，p i x e ls h a d e r 怒通过寄存嚣缀台器( r e g i s t e rc o m b i n e r s ) 来实现。德从工 作原理上看，寄存器缀合器并不属于可编程范畴。 继s m i 0 嚣，硬传厂薅睦续攮爨了囊产品，微软也扩展了s m i 。o ，也羧诞生 了s m l 1 到s m l 4 ，这臻s m 不嗣版本的主要区别就是在像爨勉理上。由于s m 的 实现是硬件相关的，每个不同s m 版本其实就属予不同的硬件厂商，比如s m i 1 穗豫1 3 蹙n v i d i a 公霹夔g e f o r c e3 秘g e f o r c e4 系到所支特的，焉s m l 。4 是 a t i 公司的r a d e o n8 5 0 0 系列支持的。不同的磺件厂_ 商支持不同版本的s h a d e r m o d e l ，这种情况直到现在仍然存在 p s 2 。0 在计葬精度上骞攫太撼麓。v s 2 。0 龛谗使用2 5 6 条数学运算撵令，阑 对它还保留了s m l 1 中的基址变址寄存器访问方式，v s 2 0 与箕以前的版本相比， 增加了如下新特性： 黪悫分支( s t a t i cb r a n c h ) ：在v s 2 。0 中霹戳熙天条静判黻潺篱，莠壤掇燕繇 韵结莱来决定是否执行某些指令。静态分支可以为顶点处理撼供更高的执行效 率，每个顶点在处理过程中都不必执行所有的指令，而是根据事先设置好的 c o n s t a n tr e g i s t e r ( 鬻燕寄存器) 爨熬数篷来爨戮，畜条孛蟪瓠。牙菜些据令。在 s m i x 中，是没法做到静态分支的，所有的分支指令都必须执行，最后通过特殊 的指令来选择其中一个分支的执行结果。 更多鲶零量寒存器c o n s t a n tr e g i s t e r ) ：v s 2 0 懿鬻爨寄存器簌嚣慕s 赫 第1 6 页 接于订编程图形硬件的实时图蟛技术研究 上海师范大学硕 学位论文 1 1 里的1 2 8 个增加到了2 5 6 个，更多的常量寄存器让g p u 上实现较复杂的算法 提供了可能，如在v s 中计算泰勒级数，为了取得比较高的精度，往往需要更多 的寄存器，1 2 8 个常量寄存器在很多时候并不能满足需要。 新增加的数学运算指令：新增加的指令包括a b s ( 取绝对值) ，c r s ( 叉乘) ， l r p ( 插值) ，n r m ( 单位化) ，p e w ( 求幂) ，s g n ( 取符号位) ，s i n c o s ( 求正弦和余弦) 。 在v s l 1 下，实现以上与这些指令相同的功能往往需要更多的指令条数，甚至有 些功能，如求正弦和余弦，在v s l 1 下是不可能实现的。 p s 2 0 与其以前的版本相比，除了运算精度有所提高以外，最大的可执行 指令条数也从原来的4 条纹理指令和8 条数学运算指令增加到了3 2 条纹理指令 和6 4 条数学运算指令。 2 3 3 高级渲染语言及开发工具 d i r e c t x9 对于图形学另外一个巨大贡献是引入了成熟可用的h l s l ( h i g h l e v e ls h a d e rl a n g u a g e ，高级着色语言) 。在h l s l 发布之前，对v e r t e x s h a d e r 和p i x e ls h a d e r 进行编程，需要使用6 p u 那