游戏引擎中实时广域流体渲染研究和应用

论文摘要

近年来,随着游戏和虚拟现实技术的不断发展,对于实时渲染的真实感、场景的复杂度不断提出更高的要求。与此同时,计算机的图形硬件处理能力也有了巨大的发展,尤其是支持可编程渲染管线GPU的推出使得PC机的图形处理能力获得了质的飞跃。这使得用户对于渲染的真实感和实时性的要求不断提高。而对覆盖有流体的地形表面进行有效地处理能够大大地提高视觉真实感。水面模拟就是其中一个重要部分。但是,目前已有的水面渲染算法普遍存在计算量庞大,耗时久,实时性不强等缺点。本文首先系统地分析和总结了现在的一些水面渲染技术。在此基础上,结合最新图形加速硬件特征,以渲染效果和渲染效率达到良好平衡为目的,对目前典型的水面模拟算法进行合理优化。该优化以两个主线进行:一是通过多张高度场纹理图混合简化实时水面网格模型的计算量,以及利用GPU强大的并行计算能力求解波动方程。二是针对网格顶点光照计算优化,基本策略是将以前放置在CPU上完成的复杂计算通过GPU的相关硬件特性进行替换,如环境纹理映射等,较为真实地模拟了水面上发生的折射和反射等光学现象。该算法最终有效地运用到游戏引擎的实时渲染系统中,实验证明该算法可行。另一方面,对水面漂浮物体与水面的交互运动模拟也是目前研究的一个热点和难点。漂浮物体在水面浮力作用下其运动状态变化比较复杂。目前有两种计算方式,一种是将浮力计算指定在刚体外表面的一些特殊点上,并假设小区域表面面积归结到这些点上;另一种是在刚体中填入一些规则几何体,然后分别计算它们的浮力。这两种方法都存在一个问题,就是对外形复杂的刚体很难模拟准确,同时还需要大量额外计算,不适合实时系统。在本文中,提出利用几何分解法对浮力计算进行简化的思路,大大提高了算法的效率,并在实验中获得了良好的效果。最后,本文对实验中存在的不足进行了分析,并提出了需要继续完善的几个方面。同时,对广域流体实时渲染的发展进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 游戏引擎发展概述
• 1.3.1 国外游戏引擎的发展
• 1.3.2 国内游戏引擎的发展
• 1.3.3 游戏引擎的结构
• 1.4 流体渲染国内外研究现状
• 1.4.1 流体模型研究
• 1.4.2 环境效果模拟
• 1.4.3 可编程图形硬件
• 1.5 主要工作与创新
• 1.6 论文章节安排
• 第二章 相关技术分析
• 2.1 基于观察的水面统计模型
• 2.1.1 算法思想
• 2.1.2 弥散关系:产生波浪的基础
• 2.1.3 频谱方程
• 2.1.4 建立随机海面高度场
• 2.1.5 陡峭的波浪
• 2.2 水表渲染技术
• 2.2.1 水表反射和折射方程
• 2.2.2 顶点法向量的计算
• 2.2.3 水体散射计算
• 2.3 渲染加速算法
• 2.3.1 静态与动态地形
• 2.3.2 算法基本思想
• 2.3.3 数据存储与节点评价
• 2.3.4 网格生成
• 2.3.5 3D裁剪
• 2.4 基于管线渲染技术
• 2.4.1 应用程序阶段
• 2.4.2 几何化阶段
• 2.4.3 光栅化阶段
• 2.4.4 像素处理阶段
• 2.5 本章小结
• 第三章 游戏引警架构设计
• 3.1 系统的架构与设计
• 3.2 系统功能介绍
• 3.3 本课题在引擎中的位置
• 3.4 模块的实现设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于顶点纹理的实时水面渲染
• 4.1 相关工作
• 4.2 水面模型分析
• 4.2.1 高度场的产生
• 4.2.2 采样高度场
• 4.3 水面光照分析
• 4.3.1 光的反射
• 4.3.2 光的折射
• 4.3.3 菲涅尔系数
• 4.3.4 泡沫
• 4.3.5 局部扰动
• 4.4 优化与实现
• 4.4.1 纹理采样
• 4.4.2 顶点裁剪
• 4.5 试验结果与分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 多面体浮力模拟
• 5.1 浮力
• 5.2 获取多边形的面积
• 5.3 获取多面体的体积
• 5.4 侵没部分的处理
• 5.5 算法误差处理
• 5.6 流体阻力模拟
• 5.7 实验结果与分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 基于GPU求解波动方程的水面渲染
• 6.1 波动方程简介
• 6.2 顶点的切线与法向量
• 6.3 实现策略
• 6.3.1 水面建模
• 6.3.2 光照计算
• 6.3.3 动态水波扰动
• 6.4 实验结果与分析
• 6.4.1 系统模块与类
• 6.4.2 实现与结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历与硕士期间发表的论文
• 个人简历
• 获奖情况
• 发表论文
• 科研项目