（计算机软件与理论专业论文）渲染引擎研发中关键技术的研究与实现.pdf

7 k j ? 气 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：甄韭整e t 期：2 坌! 翌! ! 翌生篮 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：随珏珏导师签名：# s , s i ， ， 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 相关研究现状2 1 2 1 异构系统渲染接口的映射2 1 2 2 反走样处理3 1 3 本文的主要研究内容4 1 - 4 本文组织结构4 第二章预备知识6 2 1 渲染6 2 2 渲染引擎接口7 2 3s h a d e r 8 2 4 走样及反走样1 0 2 5 本章小结1 l 第三章渲染引擎接口的映射方法与实现1 2 3 1b l e n d e r 渲染引擎接口1 3 3 2r e n d e r m a n 接口1 3 3 3 渲染引擎接口的基本数据映射1 5 3 3 1 状态量1 6 3 3 2 几何物体1 7 3 3 3 光源1 8 3 4 效果展示1 9 3 5 本章小结1 9 第四章基于预采样的过程s h a d e r 反走样算法的设计和实现2 0 4 1 算法的思想综述2 0 4 2 算法设计和实现的具体方法2 1 山东大学硕士学位论文 4 2 1 物体的二维映射2 1 4 2 2 反射函数的采样和分析2 2 4 2 3 权重及金字塔的创建2 4 4 3 本章小结2 5 第五章反走样算法在渲染引擎中的设计和实现2 6 5 1 反走样处理流程2 6 5 2 反走样过程的设计与实现2 7 5 2 1 数据结构的定义2 7 5 2 2 预处理模块2 9 5 2 3 渲染模块3 1 5 3 效果展示3 3 5 4 本章小结3 4 第六章总结和展望3 5 6 1 本文总结3 5 6 2 研究展望3 5 参考文献3 7 致谢4 0 攻读学位期间发表的学术论文目录4 1 攻读学位期间参与的科研项目4 2 ， t p ，、j 山东大学硕士学位论文 t a b l eo f c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do f r e s e a r c h 1 1 2r e l a t e dw o r k s 2 1 2 1m a p p i n go f h e t e r o g e n e o u ss y s t e mr e n d e r i n gi n t e r f a c e 2 1 2 2a n t i a l i a s i n gm e t h o d 3 1 3r e s e a r c hc o n t e n t so f t h ep a p e r 4 1 4s t r u c t u r eo f t h ep a p e 4 c h a p t e r2p r e l i m i n a r i e s 6 2 1r e n d e r i n g 6 2 2i n t e r f a c eo fr e n d e r i n ge n g i n e 7 2 3s h a d e r 8 2 4a l i a s i n ga n da n t i a l i a s i n g 1 0 2 5s u m m a r y 11 c h a p t e r3m a p p i n gm e t h o da n di m p l e m e n t a t i o no fr e n d e r i n ge n g i n ei n t e r f a c e 12 3 1r e n d e r i n ge n g i n ei n t e r f a c eo f b l e n d e r 1 3 3 2r e n d e r m a ni n t e r f a c e 1 3 3 3d a t a b a s em a p p i n go f r e n d e r i n ge n g i n ei n t e r f a c e 1 5 3 3 1s t a t u sd a t a 1 6 3 3 2g e o m e t r i cp r i m i t i v e s 1 7 3 3 3l i g h ts o u r c e s 1 8 3 4s h o wr e s u l t s 1 9 3 5s u m m a r y 1 9 c h a p t e r4d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa n t i a l i a s i n go fp r o c e d u r a ls h a d e ra l g o r i t h m b a s e do np r e s a m p l i n g 2 0 4 1s u m m a r yo f a l g o r i t h m 2 0 t l i 东大学硕士学位论文 4 2s p e c i f i ct e c h n i q u e so fa l g o r i t h md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n 。，2 1 4 2 12 dm a p p i n go f t h eo b j e c t 2 1 4 2 2b r d fs a m p l i n ga n da n a l y s i s 2 2 4 2 3b u i l d i n go f w e i g h t sa n dp y r a m i d s 2 4 4 3s u m m a r y 2 5 c h a p t e r5d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa n t i a l i a s i n gi nr e n d e r i n ge n g i n e 2 6 5 1p r o c e s sf l o wo f a n t i a l i a s i n g 2 6 5 2d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a n t i a l i a s i n gp r o c e d u r e 2 7 5 2 1d e f i n a t i o no f d a t as t r u c t u r e 2 7 5 2 2m o d u l e o f p r e p r o c e s s i n g 2 9 5 2 3m o d u l eo f r e n d e r i n g 3 1 5 3s h o wa n da n a l y z et h er e s u l t s 3 3 5 4s u m m a r y 3 4 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n df u t u r ew o r k s 3 5 6 1c o n c l u s i o n s 3 5 6 2p r o s p e c t s 3 5 r e f e r e n c e s 3 7 a c k n o w l e d g e m e n t 4 0 l e c t u r e sd u r i n gd e g r e es t u d y i n g 4 1 p a r t i c i p a t i o no f p r o j e c t sd u r i n gd e g r e es t u d y i n g 4 2 | 乏 山东大学硕士学位论文 摘要 计算机图形学飞速发展，新的渲染技术不断出现，同时，动漫、影视、游戏、 广告、科学可视化等领域对渲染软件的要求也越来越高。原有的渲染软件必须不 断升级更新才能满足人们的需求。这也使得新的渲染引擎不断出现，以满足各行 各业对不同渲染技术的要求。 渲染器的种类繁多，功能不一。有商业软件m e n t a lp a y ，简单的操作和高超 的渲染质量，使其在好莱坞电影的特技制作中广泛使用，但是价格昂贵；p r m a n 是另一款渲染软件，高超的渲染质量和快速的渲染能力，使其广泛应用在动画电 影和影视特效等高端领域，但它对使用者的编程、数学和物理知识等要求较高， 很难掌握。也有免费软件b r a z i l ，拥有强大的折射和反射功能，渲染效果强大， 但是渲染速度缓慢：b l e n d e r 是一款开源的建模渲染软件，具有很好的光线跟踪、 光能传递等功能。现有环境为渲染引擎的研发提供了广阔的平台。 针对“公共计算服务网格平台”课题面向动漫制作产业应用，在计算机图形 及媒体计算等领域展开关键技术研究，为媒体计算和渲染服务为核心的公共服务 平台提供支撑技术和软件的目标，提出研发自主版权的渲染软件、动漫制作素材 管理软件和渲染管理软件，并基于这些软件构建集群渲染平台。 本文给出了渲染引擎开发中关键技术的研究和具体实现的过程。本文的主要 工作包括： 1 探讨渲染引擎研发中的关键技术，并结合实际的需求，给出渲染引擎开 发的具体的方法和实现过程。 2 基于r e n d e r i a n 接口标准和b l e n d e r 开源软件，开发出渲染引擎b l e n m a n 的雏形，实现对r e n d e r m a n 接口文件的渲染。 3 基于“利用降维映射进行过程s h a d e r 反走样”的思想和实际背景，制定 出“基于预采样过程s h a d e r 反走样”具体的处理方法：并把此反走样的 方法应用到渲染引擎中，加速过程s h a d e r 反走样渲染。 在上述工作的基础上，本文还需要在渲染引擎的完善和功能扩展等方面进行 深入研究。对b l e n d e r 渲染引擎与r e n d e r m a n 渲染引擎的差异性进行全面分析， 山东大学硕士学位论文 完善属性映射；完善b l e n m a n 渲染引擎反走样加速渲染的功能；优化b l e n m a n 渲染流程，加速动画渲染。 关键字：渲染引擎；渲染接口映射；过程s h a d e r 反走样；预采样 i i i 套、 1 = l 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t 晰t ht h er 印i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rg r a p h i c s ，n e wr e n d e r i n gt e c h n o l o g i e s a r ec o n s t a n t l ye m e r g i n g a tt h es a m et i m e ，t h er e q u i r e m e n t so nr e n d e r i n gs o f t w a r ea r e i n c r e a s i n g l yh i g hi nt h ea r e ao fa n i m a t i o n ，v i d e o ，g a m e s ，a d v e r t i s i n ga n ds c i e n t i f i c v i s u a l i z a t i o n t h eo r i g i n a lr e n d e r i n gs o f t w a r em u s tb ec o n t i n u a l l yu p d a t e dt om e e t p e o p l e sn e e d s ，w h i c hm a k e sn e wr e n d e r i n ge n g i n e se m e r g et om e e tt h en e e d so f r e n d e r i n gr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n ts e c t o r s t h e r ea r eav a r i e t yo fr e n d e r i n ge n g i n e sw i md i f f e r e n tf u n c t i o n s m e n t a lr a yi sa c o m m e r c i a ls o f t w a r ew i d e l yu s e dt op r o d u c es p e c i a le f f e c t si nh o l l y w o o df i l m sd u e t os i m p l eo p e r a t i o na n ds u p e r br e n d e r i n gq u a l i t y , b u ti ti se x p e n s i v e p r m a ni s a n o t h e rr e n d e r i n gs o f t w a r e w i t hs u p e r br e n d e r i n gq u a l i t ya n df a s tr e n d e r i n g c a p a b i l i t i e s ，i ti sw i d e l yu s e dt op r o d u c es p e c i a l e f f e c t si nh i g h e n da r e a , b u ti t r e q u i r e su s e r 。sp r o g r a m m i n g ，m a t h e m a t i c sa n dp h y s i c st ob eh i g h e ra n dd i f f i c u l tt o g r a s p s o m ef r e es o f t w a r es u c ha sb r a z i lh a sp o w e r f u lr e f r a c t i o na n d r e f l e c t i o ne x c e p t s l o wr e n d e r i n g b l e n d e ri sa no p e ns o u r c em o d e l i n g - r e n d e r i n gs o f t w a r ew i t hg o o d r a yt r a c i n ga n dr a d i o s i t ya n ds oo n t h ee x i s t i n ge n v i r o n m e n tp r o v i d e sab r o a d p l a t f o r mf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr e n d e r i n ge n g i n e f o rt h ea p p l i c a t i o no fa n i m a t i o np r o d u c t i o ni n d u s t r yi nt h es u b j e c to f ”g r i d c o m p u t i n gp l a t f o r mf o rp u b l i cs e r v i c e ”a n dt h et a r g e to fp r o v i d i n gt e c h n o l o g ya n d s o f t w a r es u p p o r t i n gf o rp u b l i cs e r v i c ep l a t f o r mf o c u s i n go nm e d i ac o m p u t i n ga n d r e n d e r i n gs e r v i c eb yt h er e s e a r c ho ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nc o m p u t e rg r a p h i c s ， m e d i ac o m p u t i n g ，e t c ，t h es c h e m eo fd e v e l o p m e n to fi n d e p e n d e n tc o p y r i g h tr e n d e r i n g s o f t w a r e ，a n i m a t i o nm a t e r i a lm a n a g e m e n ts o f t w a r e a n dr e n d e r i n gm a n a g e m e n t s o f t w a r ei sp r o p o s e da n db u i l dar e n d e rf a r mb a s e do nt h e m t h i sp a p e rp r e s e n t st h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fk e yt e c h n o l o g i e si n d e v e l o p i n gr e n d e r i n ge n g i n e t h i sp a p e rs h o w s t h ef o l l o w i n gw o r k s ： 1 e x p l o r et h ek e yt e c h n o l o g i e s o fd e v e l o p m e n to fr e n d e r i n ge n g i n ea n dg i v e s p e c i f i cm e t h o d sa n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s sw i t ht h ea c t u a ld e m a n d 山东大学硕士学位论文 2 d e v e l o pap r o t o t y p eo fr e n d e r i n ge n g i n eb l e n m a nb a s e do nt h er e n d e r m a n i n t e r f a c es t a n d a r da n do p e ns o u r c es o f t w a r eb l e n d e rt or e n d e rt h ef i l e so f r e n d e r m a ni n t e r f a c e 3 p r e s e n t s p e c i f i cp r o c e d u r eo fa n t i a l i a s i n gp r o c e d u r a ls h a d e rb a s e do n p r e - s a m p l i n gw h i c hi sb a s e do na n t i a l i a s i n gp r o c e d u r a ls h a d e r sw i t hr e d u c t i o n m a p sa n dr e a l i t yb a c k g r o u n d a n da p p l yt h em e t h o do fa n t i a l i a s i n gt ot h e r e n d e r i n ge n g i n et os p e e du pr e n d e r i n gt oa n t i a l i a ss h a d e r t h i sp a p e rn e e d sm o r ew o r k so ni m p r o v i n gt h er e n d e r i n ge n g i n e a n a l y z et h e d i f f e r e n c eb e t w e e nb l e n d e rr e n d e r i n ge n g i n ea n dr e n d e r m a nr e n d e r i n ge n g i n ea n d i m p r o v ep r o p e r t i e sm a p p i n g i m p r o v et h ea n t i a l i a s i n go ft h er e n d e r i n ge n g i n e o p t i m i z er e n d e r i n gp r o c e s sa n ds p e e du pa n i m a t i o nr e n d e r i n g k e y w o r d s ：r e n d e r i n g ；e n g i n e r e n d e r i n ge n g i n ei n t e r f a c em a p p i n g ； a n t i a l i a s i n gp r o c e d u r a ls h a d e r ；p r e - s a m p l i n g p k “ 1 1 研究背景 第一章绪论 随着c g 技术的发展，各种功能独特的渲染器在电影、动画、游戏和广告的 制作中发挥巨大的作用。一些商业渲染软件，女l l m e n t a lr a y 1 】渲染器是早期出现 的两个重量级的渲染器之一，凭借着高效的速度、质量和操作简单，在很多好莱 坞的电影中都使用过这个渲染器作为特技制作；r e n d e r m a n l 2 l 渲染器是另外一款 重量级的渲染器，高超的渲染质量和及其快速的渲染能力而被广泛应用在动画电 影和影视特效等高端领域，它具有着色器s h a d e r 编程语言，易于着色器的扩展， 但是它要求使用者具备较强的编程能力，是一款不易掌握的软件；f i n a lr e n d e r 3 1 渲染器的反射折射表现优秀，二维线条渲染和卡通渲染是其它软件无法比拟的。 也有一些非商业渲染软件，女l l b l e n d e r ，这是一款开源的建模渲染软件，它具有 很好的光线跟踪、光能传递、运动模糊和光晕等功能，曾经做过动画短片大象 之梦和大雄兔；p i x i e 是一款开源的r e n d e r m a n 兼容渲染器，具有全局光照、 光线跟踪、运动模糊等功能。 渲染器的种类繁多，功能不一，被不同的群体使用。要开发一款受关注的渲 染引擎必须具备三个条件：第一，渲染引擎要有一个接口标准，依据这个标准对 渲染的场景进行合理地组织，达到较好的渲染效果。第二，要设计一个合理和清 晰的渲染流程，按照这个流程对渲染数据进行有效地处理，达到高效渲染的目的。 第三，这个渲染器要有自己的特色。有自己特色的渲染器才能有吸引力，才能被 更好地推广。可以通过多种方式对渲染器的功能进行扩展。 1 、添加渲染器的特效种类、增强独特性和图像的真实感。 2 、增强渲染器的易操作性。 3 、提高渲染器的渲染速度，对于复杂场景，尤其是动画，渲染速度是一个 关键的问题。 一个动画场景必须具备物体模型、灯光、摄像机和着色器。这些数据按照一 定的结构组织起来，输入到渲染器中，最后输出图像。数据组织的方式多样使得 渲染器的接口多样，没有统一的标准。目前，r e n d e r m a n d i 接口标准在业界广泛 山东大学硕士学位论文 使用。 渲染流程设计的好坏直接影响最后渲染的效果。从头设计流程并开发一个新 系统是件很困难的事情，消耗大量的人力物力。可以借助开源引擎，减少设计复 杂性。一些渲染引擎设计精巧、功能实用，但由于某些因素，致使研发团队把代 码公开，实现资源共享。c g 爱好者对系统进行完善或者凭借这个资源进行新的 研究和开发。b l e n d e r 是一款不错的开源软件，它的渲染流程很清晰，如图1 - 1 所示。渲染输入文件为b l e n d 格式，只能在b l e n d e r 软件中才能识别，没有对场 景的组织进行清晰的描述，不方便数据的修改。把渲染引擎的接口进行r e n d e r m a n 接口转换，便于场景数据的修改，扩大引擎的适用范围。 渲染处理 状数分块 合图 态据 上 成 像 渲文 初初 分层染件 始始 结输 化化 上 果出 像素着色处理 图1 1b l e n d e r 渲染流程 渲染效果和渲染时间是衡量渲染引擎的两个标准。由于屏幕的离散性，使得 图像出现走样。b l e n d e r 渲染器处理走样的方法是超采样，对于过程s h a d e r 来 说，此种反走样处理方法大大增加了渲染时间，尤其是动画渲染。采用“预处理” 方法对过程s h a d e r 进行反走样处理，能降低渲染的处理时间。本文的方法不但 能很好的处理过程s h a d e r 的走样问题，又可以减少场景的渲染时间。 1 2 相关研究现状 1 2 1 异构系统渲染接口的映射 异构系统渲染接口的数据映射有多种方法【5 】【6 】【7 】【8 1 ，主要分为两类。 一是专用数据映射6 1 ，将一个系统中的场景数据通过专用的数据转换程序直 接映射到另一个系统的数据上。这是点对点的交换，不能通用；但是效率高，不 2 k 晦 山东大学硕士学位论文 一i 皇量曼量量曼曼曼曼曼量邑曼鼍詈曼曼曼曼曼曼量鼍量曼鲁曼曼曼量皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼寡曼曼曼曼罾曼曼量量量皇量罾昌罾皇曼曼曹曼奠量曼量 会丢失数据。 二是通用数据映射【6 1 ，利用与系统无关的标准数据格式文件的共享，实现异 构系统间的数据映射。此方法数据共享性好，但如果标准格式中没有某些系统所 需的数据描述，会造成数据丢失，出现渲染错误。 1 2 2 反走样处理 反走样处理在动画渲染中必不可少。用户创建的三维场景经过最后的渲染， 形成一系列的图像，在屏幕中显示。由于屏幕是离散的，所以必须对场景进行采 样才能显示。屏幕上的场景可以由任意小的物体组成，也就意味着不会存在非常 完美的采样频率能够将有信息全部捕获，这就使得最后渲染出来的图像出现走 样。要渲染出高质量的图像必须进行反走样处理。目前应用最广泛的反走样方法 是超采样方法。把一个像素分成多个子像素，计算各个子像素的颜色值，然后把 得到的值进行加权平均作为这个像素的最终颜色值。此种方法的反走样效果很 好，但非常耗费渲染时间，需要更多的循环运算来计算额外的采样点。 抖动【9 】方法是一种常见的反走样方法，通过添加一个随机值，使采样点的位 置发生偏移，达到反走样的效果。该方法会产生噪音点，但在某些情况下，人们 更关注整个画面效果，而不会在意噪音的影响。 在渲染前，用预处理的方法消除走样也是一种常用的方法。用预采样的数据 值构建细节层次【1 0 】的金字塔，这些数据值可以是红绿蓝颜色值、物体表面的反射 率、折射率，或者是物体上与渲染相关的其它表面属性，在渲染过程中会调用金 字塔中存储的数据值进行反走样处理。女h m i p _ m a p 【1 1 】( 贴图纹理反走样处理的一 种方法) 。本文采用的过程s h a d e r 反走样方法用到细节层次金字塔的构造。 s h a d e r 简化方法【1 2 儿”1 是通过修改s h a d e r 源代码来减少纹理细节，最终实现 图像反走样的效果。r e n d e r m a n 着色器编程语言中提供此反走样处理方法，它是 一种s h a d e r 手工转化的方法，必须依赖s h a d e r 仓l j 建者的个人知识来进行s h a d e r 中的高频删除和i f 判断语句中的颜色的平滑过渡。由于手工转换的复杂性，有人 提出了s h a d e r 自动简化的方法。输入一个s h a d e r ，系统自动产生多个细节层次。 此方法主要针对图形硬件，以减少纹理内存的访问次数为目的，从而加速渲染的 速度。 k l 山东大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 本篇论文的研究工作主要是在国家8 6 3 计划课题“公共计算服务网格平台 ( 2 0 0 6 a a 0 1 a 11 3 ) ”资助下展开媒体计算社区方面的研发，为c i i i c 动漫平台建 设提供技术解决方案。本课题的主要目标是基于开源代码，研发自主版权的渲染 软件、动漫制作素材管理软件，以及渲染管理软件，给出基于这些软件构建集群 渲染平台的完整解决方案。上述系统和解决方案，对于降低动漫产品创作所需的 软硬件成本，以及不断融合新技术，更好地解决动漫创作过程中的实际问题，将 起到重要的作用。 本文针对c i i i c 动漫平台的需求，探讨自主版权的渲染软件研发的关键技 术，以开源的b l e n d e r 渲染引擎为基础，以r e n d e r m a n 接口标准为渲染引擎接口 设计的依据，研发自主版权的渲染引擎b l e n m a n ，并为引擎增加过程s h a d e r 反 走样的处理方法，提高动画渲染的速度。 本文的主要工作如下： 1 、基于开源软件b l e n d e r 和r e n d e r m a n 接口标准研发自主版权的渲染引擎。 2 、针对渲染引擎传统的反走样处理方法耗时的问题，探讨新的反走样处理方 法。通过添加新的“基于预采样的过程s h a d e r 反走样”的处理方法，提 高渲染引擎的渲染效率。 1 4 本文组织结构 本文主要围绕渲染引擎研发中的关键技术这一课题进行阐述，组织结构如 下： 第一章首先给出该课题的研究背景、相关研究及本文的主要研究内容。 第二章是相关技术的介绍，包括渲染引擎、渲染引擎的接口、s h a d e r 、走样 和反走样。 第三章介绍渲染引擎的接口与r e n d e r m a n 接口的映射方法，给出了核心部分 的具体描述。 第四章针对过程s h a d e r 的特点和渲染的实际需求，给出基于预采样的过程 s h a d e r 反走样设计与实现的具体思路和方法。 4 i 氏 ， 反 山东大学硕士学位论文 第五章以第四章反走样处理的思路为指导，给出反走样算法在渲染引擎中的 具体设计和实现，以及结果展示。 第六章对全文所述的研究工作做一个总结，同时对后续的研究工作提供一些 展望。 l i j 东大学硕士学位论文 2 1 渲染 第二章预备知识 渲染是从场景模型生成图像的过程。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的效果。渲染主要分为实时渲染和计算渲染 两种形式。 实时渲染主要依靠电脑c p u 的实时运算功能和显卡的实时加速功能。最典 型的就是用于三维游戏上。实时渲染一般是依靠标准的3 d 引擎，如著名的s g i 公司的o p e n g l 、微软的d i r e c t x 等。另外一方面，实时渲染在科学可视化仿真 中也有很广的应用。 计算渲染是本篇论文所关心的渲染类型，这种渲染类型主要是靠c p u 和内 存进行计算，需要非常长的时间。其计算原理非常复杂，常常会使用光线跟踪、 全局光能、散焦等方式，但得到的效果比实时渲染要好很多。 在计算渲染的形式中，渲染将会在场景模型上面添加位图纹理或者程序纹 理、反射、折射、阴影、透明、凹凸纹理映射以及相对于其它物体的位置，通过 复杂的数学计算，得到高质量的图像。 渲染是一个复杂的过程，当用户按下渲染按钮的时候，就会对用户在视图中 做的所有设置进行计算，最终达到现实仿真的效果。在渲染中，有很多渲染技巧 和渲染算法。 图形学的研究者已经创建出许多经典的渲染技术1 4 j 渲染软件可以使用多种 不同的技术以生成最终图像。扫描线渲染，这种方法考虑场景中的物体并将它们 投影一幅图像，但是缺乏一些高级的视觉效果；光线投射渲染，将场景从不同视 角观察，只根据几何与反射强度的基本光学原理计算观察到的图像；光线跟踪渲 染【”】，使用更加先进的光学模拟方法，在重点考虑阴影、折射与反射等需要复杂 精确渲染的场合派上用场；辐射度渲染1 6 1 ，使用有限元分析方法模拟光线在表面 的散射。 基于各种渲染算法，诞生出种类各异的渲染器。目前主流的渲染器有以下几 种： 鼍 i 蕴 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) r e n d e r m a n 渲染器。p i x a r 公司的p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r m a n ( 简写 p r m a n ) 是电影制作公司最广泛使用的一个渲染解决方案。新版本中的p r m a n1 l 中加入了光线追踪和全局照明功能，r e n d e r m a n 渲染的图像非常鲜亮、置换贴图 的细节和运动模糊效果非常逼真，可以非常快速地渲染出极高分辨率的图像。 ( 2 ) m e n t a lr a y 渲染器。m e n t a lr a y 是a v i d 公司的s o f t i m a g ex s i 中的 标准渲染器，现在它也被包括在了a l i a s 公司的m a y a 之中，而且在其他的动画 系统中也越来越普及。m e n t a lr a y 是一个非常复杂的光线追踪渲染器，支持全 局照明、光线的发散反射及光学特效。它操作简单，通过程序中的参数设置，可 以“智能”地对需要渲染的场景自动计算。 ( 3 ) b r a z i l 渲染器。b r a z i l 是s p l u t t e r f i s h 公司开发的3 d sm a x 的渲染 插件，是完全免费的，拥有强大的光线跟踪的折射、反射、全局光照、焦散等功 能，渲染效果极其强大。它的前身是g h o s t 渲染器，经过多年的开发，非常成熟。 b r a z i l 惊人的质量确是以非常慢的速度为代价的，用来做动画或角色、室内设 计等，无法接受它的速度，但是用于产品渲染非常普及。 ( 4 ) f i n a lr e n d e r 渲染器。f i n a lr e n d e r 是c e b a s 公司开发的。其渲染效 果略差于b r a z i l 渲染器，但由于其速度非常快，效果也很好，对于商业市场来 说是非常合适的。相对其它的渲染器来说，f i n a lr e n d e r 还提供了3 s ( 次表面 散射) 的功能和用于卡通渲染仿真的功能，可以说是全能的渲染器。它的设置比 较多，可以调节很多不同的细节，但是速度比b r a z i l 快很多。 2 2 渲染引擎接口 渲染引擎的输入是场景数据。首先，通过交互或非交互方式创建一个场景， 场景中包含物体模型、灯光、摄像机等信息；然后，用严格定义的语言或者数据 结构对场景中包含的各种数据和信息进行描述，包括几何、视点、纹理以及照明 等内容。这些数据按照一定的标准组织在一起，不同的标准会由不同的渲染引擎 进行识别，按照这些标准构建的输入格式成为渲染引擎的接口。渲染引擎通过接 口获得渲染所需的信息，然后进行各种着色计算，最后输出高质量的图像，如图 2 一l 所示。 7 山东大学硕士学位论文 图2 - 1 建模一渲染引擎接口一渲染关系 一般j 晴况下，渲染引擎的接口都以特定格式的文件进行描述。r e n d e r m a n 渲染 引擎的接口由r i b 格式的文件进行描述，m e n t a lr a y 渲染引擎支持二进制或 a s c i i 码的m i 格式文件，b l e n d e r 渲染引擎接收b l e n d 格式文件描述的场景数据， y a f r a y 渲染引擎的接口由x m l 格式文件进行描述。 不同的渲染引擎具有不同的渲染接口。针对同一个三维场景，不同的渲染引 擎产生不同格式的场景描述。一种渲染引擎支持的场景描述一般不能被其它的渲 染引擎所识别，但是，在描述的场景数据之间可以建立一定的映射关系。 r e n d e r m a n 接口是建模软件与渲染引擎之间的一个标准接口。通过此接口， r e n d e r m a n 渲染引擎能够产生照片级的图像。r e n d e r m a n 接口标准由p i x a r 公司 制定，之后，p i x a r 又根据此标准开发了p r m a n ( p h o t o r e a l i s t i cr e n d e r m a n ， 一款渲染引擎) 。目前，大量渲染引擎都符合r e n d e r m a n 接口标准，如p r m a n 、 a q s i s 、b m r t 、3 d e l i g h t 等商业软件被广泛使用。此接口以r i b 格式的文件进行 描述