基于GPU的骨骼动画引擎的研究与实现

论文摘要

随着计算机图形学的发展、计算机软硬件的不断进步,三维图形软件目前在很多领域内都有着很广泛的应用,如虚拟现实、网络游戏、模拟训练、工业设计等。计算机动画是三维图形领域最重要的组成部分之一。本文介绍了网格模型动画和骨骼动画的相关知识,着重阐述了骨骼动画的原理和算法。通过分析骨骼动画与网格模型动画的优缺点,指明了两种动画的适用范围。通过对骨骼动画的原理和算法分析并结合网络游戏的实际需要,本文提出了一套骨骼动画引擎的解决方案,并详细介绍了该方案中的骨骼动画的制作流程、文件组织结构、三维建模软件的导出插件设计以及骨骼动画程序结构设计。通常骨骼动画是三维图形引擎运行效率的瓶颈点之一,另一方面,近年来可编程GPU技术在三维图形处理领域已得到广泛研究。因此,本文介绍了使用GPU编程实现骨骼动画中顶点变换的方法。该方法借助GPU强大的计算能力,分担了骨骼动画中原本需要CPU计算的顶点变换过程,从而大大提升了骨骼动画的绘制效率。针对骨骼动画的解决方案,本文制作了测试用例,并在两种配置环境下做了对内存使用和运行中性能的测试,并对测试结果进行了分析。测试结果证明该骨骼动画的解决方案完全可以满足当前三维网络游戏的功能和性能需要。在本文的最后,简单介绍了骨骼动画引擎在网络健身车游戏项目中的实现。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题任务
• 1.2.1 课题内容
• 1.2.2 本人担任的任务
• 1.3 论文结构
• 第二章 背景知识介绍
• 2.1 计算机图形学
• 2.2 GPU简介
• 2.2.1 GPU的发展史
• 2.2.2 GPU的技术框架
• 2.2.3 GPU加速原理
• 2.2.4 使用GPU的优点
• 2.3 图形渲染管线
• 2.3.1 固定渲染管线
• 2.3.2 可编程渲染管线
• 2.4 常用图形系统API
• 2.4.1 OpenGL
• 2.4.2 DirectX
• 2.4.3 OpenGL和DirectX的比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 骨骼动画的原理与算法
• 3.1 3D实时角色动画
• 3.1.1 网格模型动画
• 3.1.2 骨骼动画技术
• 3.2 骨骼动画的实现原理
• 3.2.1 骨架树
• 3.2.2 骨骼动作数据
• 3.2.3 皮肤网格模型数据
• 3.2.4 使用差值的骨骼变换
• 3.3 骨骼动画的优缺点
• 3.3.1 存储空间的比较
• 3.3.2 CPU消耗比较
• 3.4 骨骼动画适用范围
• 3.5 本章小结
• 第四章 骨骼动画引擎的设计与实现
• 4.1 骨骼动画制作流程设计
• 4.1.1 构建网格模型
• 4.1.2 动作调节
• 4.2 骨骼动画文件结构设计
• 4.2.1 角色信息文件
• 4.2.2 骨架文件
• 4.2.3 皮肤网格文件
• 4.2.4 动作文件
• 4.3 导出插件
• 4.4 骨骼动画引擎的程序结构设计
• 4.5 动作驱动骨架变换
• 4.6 顶点变换算法
• 4.7 骨骼动画的渲染
• 4.8 本章小结
• 第五章 GPU编程实现骨骼动画顶点变换
• 5.1 GPU计算骨骼动画的分析
• 5.2 GPU编程语言简介
• 5.2.1 顶点编程
• 5.2.2 像素编程
• 5.3 使用HLSL语言实现GPU编程的骨骼动画顶点变换
• 5.3.1 定义全局变量
• 5.3.2 定义全局变量
• 5.3.3 定义顶点变换输入参数和输出参数
• 5.3.4 顶点变换函数
• 5.3.5 像素着色函数
• 5.3.6 设置渲染技术
• 5.4 本章小结
• 第六章 性能测试与游戏项目实现
• 6.1 骨骼动画引擎性能测试
• 6.1.1 测试环境
• 6.1.2 内存使用量对比与分析
• 6.1.3 运行效率对比与分析
• 6.2 骨骼动画引擎在"黄衫08"网络健身车项目的实现
• 6.2.1 "黄衫08"游戏的基本情况
• 6.2.2 骨骼动画系统的应用
• 6.2.3 骨骼动画在游戏中的效果
• 6.3 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文