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三维渲染引擎技术和市场调研报告 作者： 日期：三维渲染引擎技术与市场调研报告 广东威创视讯科技股份有限公司研发中心研究院二零一二年二月目 录第一章 三维渲染引擎和三维相关产业基本概述3第一节 三维渲染引擎介绍3第二节 三维渲染引擎应用4第三节 三维渲染引擎发展4二、三维市场发展环境分析6第一节 宏观分析6第二节 行业政策分析8第三节 社会和产业环境分析8三、三维渲染引擎应用技术分析10（一）广播电视行业案例10（二）数据可视化案例14（三）核心技术27（四）图文包装系统30（五）市场调研情况34（六）eStudio引擎技术评估报告37（七）Unigine引擎技术评估报告37四、市场分析37五、环境分析37（一）外部一般环境（PEST）分析37（二） 项目的内部SWOT分析37（三）市场发展策略38六、风险与对策38（一）市场风险38（二）创新风险38（三）管理风险38（四）技术风险38第一章 三维渲染引擎和三维相关产业基本概述第一节 三维渲染引擎介绍随着计算机软、硬件突飞猛进的发展，计算机图形学在各个行业的应用也得到迅速普及和深入。目前，计算机图形学己进入三维时代，三维图形在人们周围无所不在。科学计算可视化、计算机动画和虚拟现实已经成为近年来计算机图形学的三大主要应用，而这三大主要应用的技术核心均为三维图形。 由于三维图形涉及到许多算法和专业知识，要快速的开发三维应用程序是有一定困难的。当前在计算机上编写三维图形应用一般使用底层的OpenGL或DirectX接口，虽然OpenGL或DirectX在三维真实感图形制作中具有许多优秀的性能，但是在系统开发中直接调用这些底层接口，仍存在一些缺点：1、都是非面向对象的，设计场景和操作场景中的对象比较困难。2、主要使用基层图元，在显示比较复杂的场景时编写程序相对困难。3、没有与建模工具很好的结合。4、缺乏对一些十分重要的关键技术如LOD(Level of Detail)、动态裁剪等的支持。基于以上情况，应用程序开发人员非常需要一个封装了硬件操作和图形算法、简单易用、功能丰富的可扩展三维图形开发环境，这个环境被称作三维图形渲染引擎。 引擎，是借用机器工业的术语，以表明其在整个系统中的核心地位。三维引擎需要解决场景构造、对象处理、场景渲染、事件处理、碰撞检测等一系列应用层问题。第二节 三维渲染引擎应用三维渲染引擎的应用主要有：3D游戏开发广播电视图文包装，虚拟演播室影视动画制作，特效特技制造零部件，系统建模建筑建模可视化数据可视化，医疗卫生，监测监控，气象，石油，水利电力展馆展会，数字城市，虚拟场馆仿真虚拟现实第三节 三维渲染引擎发展三维渲染引擎是三维应用的核心，国内许多企业和科研单位都对三维渲染引擎进行了研发投入，并作为自身的核心技术。在广播电视行业，电视图文产品最重要的技术发展趋势就是基于图形图像处理的二维平面制作技术和实时三维渲染技术的有效融合和发展。比如，目前图文、字幕系统和虚拟演播室系统的底层技术正在逐步融合，上层应用也在逐步融合，三维图文实时处理正逐步成为市场的主流，三维渲染技术创造的丰富逼真的动态三维效果已经成为新一代图文系统的核心和亮点。而这些应用的关键技术就是三维渲染引擎，它是图形图像处理的核心和基础，能够为三维虚拟场景、三维图文应用提供强劲的实时渲染动力，可以充分发挥高端图形加速卡GPU可编程渲染管线特性，渲染能力可以得到质的提升和飞跃。根据对市场的细致考察和分析，自2005年起，新奥特视频公司意识到有必要利用GPU高级编程语言开发自己的三维渲染引擎，以便使产品能够紧跟目前GPU图形加速卡的发展，为图形、图像的渲染提供全面的加速，更加满足图形渲染质量以及用户的审美要求。 需求就是动力，在明确了产品规划目标后，经过两年多的艰苦努力，新奥特成功的完成并且推出了完全自主知识产权的Mariana三维渲染引擎，并在此基础上构建了系列高标清三维图文制播系统：Mariana.VS虚拟演播室系统和Mariana.5D在线图文包装系统，实现了新奥特在图文核心技术方面的突破。 其他的广电厂商，如中科大洋和艾迪普也都拥有自身的三维渲染引擎，从而在渲染引擎的基础上不断改进和研发新的图文系统。二、三维市场发展环境分析第一节 宏观分析“十一五”时期，我国电子信息制造大国的地位进一步巩固，总体实力跃上新台阶，但产业发展的深层次问题和结构性矛盾仍然突出，主要表现为：关键核心技术受制于人，产业总体上仍处于价值链中低端，代工制造和加工贸易所占比重较高，研发投入强度与发达国家相比尚有差距，资源配置较为分散，产业政策环境亟待完善，内需带动机制尚未健全。这些问题和矛盾制约了我国电子信息制造业由大变强，需要在“十二五”时期着力解决。在十二五期间，国家电子信息产业“十二五”规划纲要提出的指导思想和发展思路为：深入贯彻落实科学发展观，以转型升级为主线，坚持创新引领、应用驱动、融合发展。突破重点领域核心关键技术，夯实产业发展基础，深化信息技术应用，推动军民结合，统筹内外需市场，优化产业布局，着力提升产业核心竞争力，持续引导产业向价值链高端延伸，推动产业由大变强，为加快工业转型升级及国民经济和社会信息化建设提供有力支撑。以转型升级为主线。以创新引领为根本动力。以应用驱动为关键支撑。以融合发展为重要途径。发展目标为：结构目标：“十二五”期间，我国规模以上电子信息制造业销售收入年均增速保持在10%左右，2015年超过10万亿元；创新目标：百强企业研发投入占销售收入比重超过5%；信息技术领域发明专利申请累计总量达到130万件左右；主要任务与发展重点：计算机领域：把握移动互联网发展趋势，大力发展具备轻薄便携、低功耗、触控、高清与三维（3D）显示等特点的笔记本计算机、平板计算机等移动智能终端，以及大屏幕、触摸型一体式等新型计算机；积极开展工业控制计算机软硬件基础平台和安全性、可靠性技术等研究，提升我国工控产品及系统竞争力，在过程控制、安全生产、节能降耗、环境监控、智能交通、智能建筑、智能电网等领域推动工控产品及系统的应用。数字视听领域：加快推动3D技术的研发及应用，提升核心技术掌控能力。加快发展3D电视、互联网电视、智能电视等新型产品，不断提升产品附加值。支持智能化、网络化视频监控设备及应用系统的研发与应用；支持数字电视演播室设备、发射设备、传输设备、接收设备发展，鼓励发展高密度激光视盘机、数字音响系统、数字电影设备，推动视听产业向数字化、网络化、智能化和节能环保方向发展。新型显示器件领域：积极研发触摸屏、三维显示等新技术新产品，促进其产业化。重点高清晰度技术（三维、动态清晰度、超高清晰度）以及超薄技术，提高PDP产品性能。开展三维显示新技术研发和产业化。第二节 行业政策分析国家为保障信息产业十二五规划顺利实现，制定了相关的政策和法规。健全产业政策法规体系，完善产业发展环境。贯彻落实国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定（国发201032号），围绕新一代信息技术产业重点领域，制定相关配套政策措施。提高财政资金使用效率，增强产业创新能力。加大技术改造专项资金投入，对核心关键领域重大项目给予重点支持。引导产业有序转移，促进区域协调发展。推动企业兼并重组，优化产业组织结构。实施知识产权战略和标准战略，提升产业竞争优势。加强创新人才引进和培养，加快专业人才队伍建设。第三节 社会和产业环境分析随着人们生活水平和收入水平的不断提高， 3D技术和3D体验越来越走近普通大众生活。3D电影成为2011年电影市场中的主流，在观众口碑和票房上均取得了不错的成绩。3D立体影像产业联盟成立，为了推动3D立体影像产业，在中国电子视像行业协会下设立中国立体视像产业联盟（China 3D Industry Association），推动中国大陆3D立体影像产业发展之相关事务；为3D立体影像产业链相关技术、产品、系统、解决方案、营运与服务开发研究，促进应用、标准化、产业化等工作之非营利性联盟，目前联盟家数有50多家。 为了发展中国3D立体影像产业，积极的主办各项国际展览与会议，2011年将进入第六届中国国际3D立体视像论坛暨展览会；也跟中国台湾地区3DIDA协会做密切的交流。3D电视频道试播，2012年元旦，由国家广电总局牵头，中央电视台、北京电视台、上海广播电视台、天津广播电视台、江苏广播电视总台和深圳广播电视集团等6家电视播出机构联合开办的国内首个3D电视频道开始试播。新奥特的3D图文产品参与了以上6家电视台的3D图文制作和播出。液晶显示器继续是3D电视市场中的主导技术，2011年占3D电视销量的83%。而等离子技术所占份额则小得多。但是，3D在等离子电视中的占有率较高，等离子电视厂商希望这种热门技术能够帮助减缓等离子市场的下滑速度。3D电视占全球平板电视市场的份额将在未来几年继续上升，2011年份额将从去年的2%跳增至11%，2012年将达到22%。到2015年，3D电视将占平板电视出货量的52%。2011年最受欢迎的3D电视尺寸是40-41英寸，约占330万台；其次是55-59英寸，出货量将达290万台；45-46英寸为270万台。三、三维渲染引擎应用技术分析（一）广播电视行业案例韩国SBS电视台：SBS是韩国最大的广播公司，选择了Barco的视频墙作为演播室背景,搭建了11 x2的系统。其图文系统采用Vizrt开发的图文系统。挪威广播公司新闻和天气频道：采用Barco视频投影墙系统，交互式动态三维图文。KBS & MBC电视台韩国大选直播：韩国大选直播，采用Barco视频投影墙系统，实时数据显示，统计三维图文，用于专访系列节目。其它案例还包括：韩国jTBC电视台：采用Barco 5x2，3x2视频背景墙。韩国MBN新闻频道：采用Barco 6x2，2x2视频背景墙。西班牙访谈节目：采用Barco视频投影墙系统，动态三维图文。爱尔兰RT电视台新闻频道：采用Barco视频投影墙系统，动态三维图文。美国Academy颁奖典礼背景墙：采用Barco视频投影墙系统，动态三维图文。CNN-IBN新闻台：采用Barco视频投影墙系统，现场连线，动态三维图文。葡萄牙RTP电视台新闻频道：采用Barco视频投影墙系统，动态三维图文显示。比利时VTM电视台新闻频道：采用Barco视频投影墙系统，动态三维图文显示。黑龙江卫视新闻频道：采用Barco视频背景墙系统，新奥特三维图文包装系统。中央电视台：新闻频道采用Barco视频背景墙系统，Vizrt三维图文包装系统。（二）数据可视化案例中国海洋石油三维可视化中心：中国海洋石油总公司，是中国第三大国家石油公司，在渤海油田建立了国际一流的三维可视化研究中心，采用Barco拼接墙。科研人员利用三维可视化系统工具对前端采集的大量现场数据进行可视化分析，在高度沉浸感的环境中，研究人员对数据体和属性直观地进行操作，能极大地提高决策工作的效率，节省勘探成本和时间，提高企业竞争力。韩国Wingship研发中心：Wingship Technology Corp. 是一家由韩国政府投资的科技公司，主要从事地效飞机的研发和销售。地效飞机是一种兼有大型海洋运输船只和航空母舰特点的水上运输工具。Wingship Technology Corp选择了巴可的可视化解决方案来支持其研究开发活动。法国CLARTE 虚拟现实立方：CLARTE是法国Laval的技术研究中心。 它主要为技术工程，工业生产和公司提供虚拟现实解决方案。 CLARTE主要从事三个领域方面的研究: 计算机图形学, 人机交互和多处理器实时计算。CLARTE采用了Barco 的I-Space沉浸式虚拟现实 cube 作为其研究的可视化解决方案。上海海事大学立体 360船舶训练中心：上海海事大学是中国最著名的海事大学之一。为了更好地推动海洋建模和模拟方面的研究，上海海事大学采用巴可的可视化方案建立了海事训练中心。马来西亚壳牌石油虚拟现实中心：石油天然气世界巨头壳牌公司需要建立全球的可视化解决方案使他们能以高分辨率，3D立体的方式对大量的地理数据和地球物理信息进行可视化。他们选择了巴可的可视化方案。其它案例还包括：德意志股票交易所：经营数据可视化，采用Barco拼接墙，实现在线图文显示。美国Toledo大学医学院虚拟现实中心：美国Toledo大学医学院采用巴可 I-Space和CADWall作为虚拟沉浸式虚拟现实中心的可视化解决方案来培养医师和护理人员。 巴西科学计算和可视化实验室：Alagoas Federal 大学是巴西东北部地区主要的研究中心， 为了更好地解决工程问题, Alagoas Federal 大学建立了科学计算和可视化实验室对工程问题和物理问题进行数值仿真和可视化研究。经过研究和比较，Alagoas Federal 大学采用了巴可的可视化解决方案。韩国国家科技博物馆：韩国国家科技博物馆位于果川市，是韩国最著名的博物馆之一。 这座博物馆于2008年正式投入使用，是全新一代概念的科技博物馆。 参观者可以以一种沉浸式和交互式的方式触摸和感觉展出的虚拟物体。博物馆采用了巴可的三维可视化墙方案。巴西里约天文科技馆基金会：作为巴西里约热内卢天文科技馆基金会成立40周年的庆祝活动之一，天文馆基金会重新装备了其伽利略天文馆穹顶。 天文馆采用了巴可的三维可视化方案。意大利Alenia Aermacchi飞机高级仿真训练中心：意大利芬梅卡尼卡集团下属的航空部门选择了巴可的可视化墙解决方案作为其飞机高级仿真训练中心的可视化仿真方案。德国Potsdam大学 3D实验室：德国Potsdam大学在联邦政府的财政支持下，采用巴可的三维可视化方案搭建了3D沉浸式可视化系统进行地理信息方面的科学研究。美国空军空中加油模拟训练中心：CymSTAR是一家在军事工程方面提供领先解决方案的公司, 采用巴可的三维可视化方案为美国空军提供了空中加油的模拟和可视化训练方案。德国戴勒姆引擎仿真中心：Daimler AG 是世界上最著名的汽车公司之一, 其最有名的部门就是他们的Mercedes-Benz汽车部门。他们在德国斯图加特Sindelfingen的技术中心，采用了巴可的可视化方案搭建了360度视角引擎仿真中心，是国际汽车行业中最先进的仿真中心。 法国 EDF：“引导能源变化趋势” 是法国EDF集团的箴言, 法国EDF集团在欧洲能源市场具有举足轻重的作用。为达到这一目标, EDF在研发方面投入了巨大的资源。与工业集团，实验室和科研团队紧密合作， EDF研发部门证明高性能的可视化仿真会给科学研究生产产生巨大的推动作用，法国Clamart的EDF实验室，采用巴可的MegaCADWall可视化墙，使其所有的研究数据都能实现可视化效果。巴西圣保罗大学可视化中心：巴西是深水环境海洋石油勘探开采开拓者之一。为了更好地开展海洋石油开采研究，巴西最大的石油公司巴西石油公司, 在研发方面投入巨大。巴西圣保罗科技大学的Numerical Offshore Tank可视化中心就是他们投资进行海洋石油开发研究的实验室，实验室采用了巴可的可视化方案建立了4D可视化系统进行仿真结果的显示。法国Essilor国际集团沉浸式可视化中心：法国ESSILOR国际集团是享誉世界的树脂光学镜片专业制造厂商，是世界上最大的光学产品企业之一，在有机光学树脂设计和生产，以及树脂表面纳米化技术领域，居国际最领先地位。早在1997年，Essilor的研发部门就利用虚拟现实技术支持产品研发，后来，他们采用巴可的可视化方案搭建其Personal Immersive Environment (PIE) 可视化中心，这个方案提供了很好的沉浸感, 加快了研发过程, 帮助公司实现“更好地看世界”的产品理念。 美国海军潜艇训练中心：美国海军采用Barco的可视化方案搭建了高分辨率360度全景沉浸式潜艇仿真训练可视化环境。斯伦贝谢信息Dairy Ashford可视化中心：斯伦贝谢是世界上最大的石油和天然气工业服务提供商。在技术方面，斯伦贝谢信息解决方案Schlumberger Information Solutions (SIS), 专门提供油气企业开产和生产相关的软件服务。其位于美国休斯敦的South Dairy Ashford中心，采用巴可的可视化解决方案来改进协作和交互。英国Lairdside 海事训练中心：英国Lairdside 海事训练中心采用巴可的可视化方案搭建了全360度视场的可视化中心进行海员，船员和港口操作的培训平台。奥地利沉浸式可视化展览中心：奥地利Ars Electronica是一家展览和文化机构，主要致力于现代科技在艺术和社会领域的应用探索。采用巴可的三维可视化方案他们搭建了沉浸式的三维可视化展览中心。法国Dassault 超高分辨率3D可视化：法国Dassault Systmes是世界上3D 可视化和产品生命周期管理Product Lifecycle Management (PLM)解决方案的领导者之一。他们采用巴可的三维可视化方案为工业设计和产品管理提供三维数据可视化。壳牌石油E&P 可视化中心：壳牌石油的开采和生产部门采用Barco可视化方案，连接其遍布欧洲的虚拟现实和可视化中心，实现所有中心的数据信息共享，协作和可视化。德国气象可视化计算中心：德国气象可视化计算中心是欧洲最快的超级计算机应用中心之一，采用巴可的可视化方案进行气象数据和信息的可视化。比利时SCA Packaging虚拟店铺：比利时SCA Packaging货物和商品包装公司的虚拟店铺，采用巴可提供的三维可视化方案，能够将商品包装后再商店销售的最终效果以可视化的方式展示在客户面前，以更好地让客户决定包装方案。 意大利米兰大学的可视化中心：意大利米兰大学采用巴可的可视化方案和三维渲染技术建立了可视化中心。美国DaytaOhio协作可视化中心：美国DaytaOhio协作可视化中心采用巴可的可视化解决方案进行海量数据的可视化和协作共享。中国长安大学：长安大学位于西安, 中国汽车科学研究的重要单位之一。采用了巴可的可视化方案建立三维汽车仿真系统进行汽车设计，交通和路面仿真研究。意大利Napoli大学虚拟现实中心：意大利Napoli大学虚拟现实中心采用巴可可视化方案，进行工业设计等虚拟现实仿真应用研究。荷兰鹿特丹ERASMUS MC可视化中心：荷兰鹿特丹ERASMUS MC可视化中心采用巴可的四面可视化立方体解决方案构建无缝的虚拟三维可视化环境，可以现实基因族的层次结构，基因表达数据的关系网络图和蛋白质之间的反应图的三维立体显示。上海同济大学可视化中心：上海同济大学是中国科学工程研究中心之一。采用巴可的可视化解决方案为其城市规划和景观设计实验室提供可视化建模仿真方案。中国一汽汽车设计建模可视化：中国一汽采用巴可的可视化解决方案作为其汽车模型设计的可视化工具。荷兰壳牌石油虚拟现实中心：采用巴可地可视化方案，采用单通道SGI Onyx图形工作站渲染三通道SXGA 1280x1024可视化图像。西班牙Martorel SEAT汽车可视化：采用巴可的CADWall方案，汽车工业设计可视化。荷兰国家航天实验室：采用巴可的可视化方案，可达到水平视场135度，垂直视场40度的可视化区域。（三）核心技术从以上的实际应用案例可以看到：广电，数据可视化等各行业的应用虽然千差万别，但从解决方案上来说，其底层的核心技术是相同的，最终都要将数据和信息以图形化，交互式地呈现给用户，因此都用到三维图形渲染技术，即三维渲染引擎。三维渲染引擎是一个软件和硬件协作的系统。硬件部分为图像工作站，软件部分为运行在硬件上的图形渲染软件，其系统结构和组成如下图所示：典型的硬件配置如下表所示：硬件名称型号图形工作站HP Z800 HP Z400图形卡nVidia Quadro FX 5800,4800视频卡Quadro SDI Capture 4路高清输入Quadro SDI Output 2路高清输出三维渲染引擎软硬件系统工作流程图示：三维渲染引擎软件部分的系统结构如下图所示：（四）图文包装系统当前广电行业实时三维渲染技术还主要应用于图文包装，各种虚拟演播室，实景演播室等场合中。其基本原理都是利用实时三维渲染技术制作出各种虚拟物体和特效，然后将它们无缝地嵌入到真实的摄像机拍摄的画面中，实现各种包装效果。图文包装，也称为图文在线包装：它是演播室实时生成的包装合成过程，包装内容包括标题字幕条，人名字幕条，视频窗，滚动字幕，图表，角标，栏目信息，节目预告等。在线包装产品可以应用于各种不同类型的电视节目制作，新闻节目，体育节目，天气预报，财经节目，节目预告，娱乐节目。三维图文系统从逻辑上可以分为三部分，即制作，渲染和播控三大块，如下图所示：三维图文制作：这是图文用户直接操作的部分，用户将各种图文素材如文本，纹理，材质，图像，声音，视频，字体，光照，视角，实时视频流，几何体，模型等有机地组织成一个图文数据文件，并在其中增加各种动画，变形，特效，然后保存成一个场景数据。并根据三维渲染引擎渲染输出的图形效果进行调整，直到达到用户希望的效果。三维渲染引擎：这是图文系统的发动机，它载入三维图文制作的场景数据，实时高效地渲染将场景数据渲染成图像输出。三维图文播控：主要用于多个图文数据文件的组织和播放顺序控制，动画，动作，事件控制，使图文按照用户希望的顺序进行渲染和输出。三维图文包装的硬件，软件系统工作原理图如下所示：从广电行业实际应用来看，当前拼接墙的主要作用是为节目录制提供大背景。例如，央视春晚的歌舞节目的背景画面墙，新闻节目，访谈节目的背景墙，虽然目前可以通过播放事先制作，录制好的高清视频作为背景墙图像实现舞台等特效，但是这种使用视频的背景有以下缺点，只能应用在对控制功能要求比较简单的环境下：1 播放的视频不具备交互性，视频是一个连续的图像帧序列，不能与人进行交互。2 播放的视频无法展现实时的信息，由于高清的视频背景都是事先录制好的，无法进行实时连线，实时动态数据显示这样的高级功能。由于这些缺点的存在，使用实时三维渲染的拼接墙背景方案将会提供潜在的解决方案。目前市场上已经有了一些针对拼接墙背景渲染的解决方案，如下图所示：（五）市场调研情况根据开发三维图文包装系统的需求，前期主要对当前国内市场上的情况做了调研，结果如下：厂商图文系统报价/套提供引擎二次开发Vizrt(挪威)OEM价格(50,000$)每年100套起不提供引擎二次开发,提供指令可开发播控软件Orad(以色列)硬件 17,500$制作软件40,000$播控软件 30,000$至60,000$之间不提供引擎二次开发,提供指令可开发播控软件大洋60万人民币(高标清) 不提供二次开发新奥特30万人民币(标清通道)40万人民币(高清通道)不提供二次开发艾迪普50万人民币(标清)65万人民币(高清)不提供二次开发注：国内厂商的实际成交价为报价的60%左右。从以上情况来看，这些当前市场上图文包装产品的主流厂商，其技术核心就是其三维渲染引擎，因此都不对外提供三维渲染引擎的二次开发接口，用户只能在其提供的指令基础上开发播控软件，也无法定制自己的GUI界面，也无法修改引擎的功能。我们还在市场上筛选了其它两家提供三维渲染引擎的公司。eStudio图文引擎：由西班牙Brainstorm Multimedia开发。eStudio引擎是一款专用于图文包装领域