【正文】 ......................................................................................................... 34 5 .4 光線模塊 ................................................................................................................. 35 5 .5 模型導(dǎo)入 ................................................................................................................. 36 5 .6 測試運(yùn)行 ................................................................................................................... 38 5 .6 .1 準(zhǔn)備工作 ........................................................................................................... 38 5 .6 .2 運(yùn)行 ................................................................................................................... 38 第六章 總結(jié)與展望 ......................................................................................................... 41 6 .1 總結(jié) ............................................................................................................................ 41 6 .2 展望 ............................................................................................................................ 41 致謝 ..................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................... 42 第一章 緒論 1 第一章 緒論 1 .1 課題研究的背景及意義 本論文是對三維渲染引擎編輯系統(tǒng)的研究，所謂渲染，就是將計(jì)算機(jī)中的三維數(shù)據(jù)展現(xiàn)在二維的畫面上，比如顯示器。渲染引擎的作用就是要優(yōu)化遍歷和展示三維模型，三維渲染引擎編輯系統(tǒng)是渲染引擎的輔助工具，它能夠?qū)崿F(xiàn)對三維模型、三維場景等三維數(shù)據(jù)的編輯，并能夠?qū)⒕庉嫼蟮臄?shù)據(jù)保存以便供基于該款渲染引擎的三維應(yīng)用程序所使用。如果沒有渲染引擎編輯系統(tǒng)，那么所有的三維數(shù)據(jù)都要通過代碼實(shí)現(xiàn)，這不僅對開發(fā)人員水平有很高的要求，而且效率也很低下。而有了編輯系統(tǒng)作為輔助開發(fā)工具，不僅可以降低開發(fā)成本，也可以提高工作效率，而且由于編輯系統(tǒng)提 供的是可視化編輯，制作出來的場景將更漂亮而且效果 更真實(shí)。 隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，渲染技術(shù)的發(fā)展完善，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷快速，已經(jīng)從早期的紙上理論中徹底解放走出，開始廣泛地應(yīng)用于到各行各業(yè)之中，并開始創(chuàng)出造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也開始越來越受到開發(fā)者們的關(guān)注 [1]。目前，通過上層高度抽象封裝調(diào)用底層驅(qū)動(dòng) API，組織資源，并對 I/O， UI進(jìn)行完善的響應(yīng)，并基于 GPU運(yùn)算產(chǎn)生實(shí)時(shí)場景的 3D程序，正成為其中一個(gè)熱門的開發(fā)方向 [2]。其中， 3D游戲開發(fā)正是這一方面應(yīng)用的典型代表。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的不斷普及，從不斷節(jié)節(jié)攀升的市場規(guī)?？梢钥闯鼍W(wǎng)絡(luò)游戲正越來越成為人們的一種日常休閑娛樂方式。 3D 游戲是當(dāng)前游戲的主流，其核心技術(shù)是 3D 圖形的渲染。一般說來，從事 3D 游戲開發(fā)不外乎兩種方法，一種是利用已有的具有世界項(xiàng)級水平的 3D 引擎進(jìn)行開發(fā)；另一種是自行開發(fā) 3D 引擎。前者因?yàn)槿菀咨鲜?，成為大多?shù)游戲人的選擇；后者則對圖形渲染算法有很高的要求。由于國內(nèi)研究 3D 圖形渲染起步較晚，以至于到現(xiàn)在還沒有一款高質(zhì)量的渲染引擎供國內(nèi)的游戲行業(yè)使用。國內(nèi)的絕大部分 有影響力的游戲公司都是購買國外的高價(jià)引擎后再進(jìn)行游戲開發(fā)，這樣有三個(gè)弊端：第一：成本昂貴，價(jià)格是大多數(shù)中小型游戲丌發(fā)商無法承受之重；第二：國外廠商對國內(nèi)市場重視程度不夠，很難保證良好的售后服務(wù)；第三：人員的溝通不便，出現(xiàn)技術(shù)問題不能得到及時(shí)的解決。 OGRE 渲染引擎是國外的開源渲染引擎，它在三維渲染方面表現(xiàn)出了良好的性能和渲染效果，還有龐大的社團(tuán)長期支持著渲染引擎的升級更新。由于該渲染第一章 緒論 2 引擎是開源的并且又具備良好的性能，所以越來越多的國人也開始研究這款渲染引擎。在不久的將來，就會(huì)有國內(nèi)的游戲公司利用 OGRE 開發(fā)出高質(zhì)量的游戲。 本課題是在研究國外開源渲染引擎 OGRE的基礎(chǔ)上開發(fā)渲染引擎編輯系統(tǒng)，本編輯系統(tǒng)充分利用了國外開源的 OGRE第三方插件庫，目的是最大限度的增強(qiáng)三維場景編輯效果和渲染效果 [2]。 1 .2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 在國外，開始研究三維圖形渲染的時(shí)間比較早，而三維圖形編輯的歷史也比較悠久，三維圖形編輯軟件中最成功的莫過于 3Ds Max了。 3Ds Max是美國 Autodesk公司的電腦三維模型制作和渲染軟件， 3Ds Max 9． 0是其具有顯著提高的最新版本。將廣泛應(yīng)用于視覺效果，角 3色動(dòng)畫及下一代的游戲開發(fā)領(lǐng)域。至今 3dsmax獲得過 65個(gè)以上的業(yè)界獎(jiǎng)項(xiàng)，而 3ds max9將繼承以往的成績并加入新的角色動(dòng)畫 IK體系，為下一代游戲設(shè)計(jì)提供交互圖形界面。 同時(shí)3ds max9提供了與高級渲染器的連接，比如 Mentalray和 Renderman，來產(chǎn)生更好渲染效果如全景照亮，聚焦及分布式渲染 [3]。 國內(nèi)圖形研發(fā)一直落后于國外； 3D引擎更由于研發(fā)時(shí)間長、投入高、風(fēng)險(xiǎn)大而致使很少公司問津。相對于國外數(shù)十年的游戲引擎發(fā)展史，國內(nèi)仍處于落后階段。 2021 年初，中國網(wǎng)絡(luò)游戲市場丌始發(fā)展起來，國內(nèi) 3D游戲引擎的研究也由之開始迅速發(fā)展起來。比如目標(biāo)軟件的 GFX3D 引擎，盛大的 3D 引擎，網(wǎng)易的“風(fēng)魂”引擎，錦天科技的 AURORA 引擎，可樂吧的 FancyBox 等，還有一些游戲工作組的 3D引擎，比如 Origo 系列等等168?！?。雖然在國內(nèi)的 3D引擎上己經(jīng)可以開發(fā)相關(guān)的游戲或應(yīng)用，但也僅僅是針對某一個(gè)或某一類型的游戲，要真正達(dá)到引擎的通用性和可擴(kuò)展性，還需要很長的路要走。目前國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)游戲雖然有著巨大的需求，但國人自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 3D引擎卻很少；因此研發(fā)國人自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 引擎是大勢所趨。各大游戲公司也加大了自主研發(fā)的力度；同時(shí)國家 863項(xiàng)目也明確將自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)通用游戲引擎的研發(fā)列入其中，這都將大大推動(dòng)我國 3D 引擎開發(fā)的發(fā)展。 我國 當(dāng)前 仍 處于 相對落后的位置，起步晚，技術(shù)力量上的薄弱，國內(nèi)的 渲染引擎 廠商正面臨著自主研發(fā)上的窘境，一方面 3D 游戲 市場熱火朝天，但真正屬于國人的游戲卻少之又少，國內(nèi)玩家普遍傾向于日韓歐美的游戲。有關(guān)國家部門也對此相當(dāng)?shù)仃P(guān)注，通過政策，資金，教育甚至 863 計(jì)劃來大力扶植國內(nèi)三維渲染技術(shù)力量的發(fā)展。 第一章 緒論 3 1 .3 論文主要研究方案 本項(xiàng)目主要以目前最流行的 Microsoft Visual Studio 2021為開發(fā)環(huán)境， Ogre為主要渲染引擎。通過對場景的設(shè)計(jì)，天空、地面、景物的構(gòu)建， Ogre引擎的渲染操作獲得場景的呈現(xiàn)。 初步計(jì)劃構(gòu)建一個(gè)飄動(dòng)白云的天空、有搖曳草地的地面與放置在場景中間的綠色吉普車的場景。有一個(gè)可以隨鼠標(biāo)移動(dòng)的視角，可通過鍵盤上的 W、 A、 S、D四個(gè)鍵來控制位置。 天空的白云與綠色的地表通過貼圖平鋪實(shí)現(xiàn)，地表小草通過代碼隨機(jī)排列，吉普車是通過貼圖立體組成的 mesh文件。由于地表場景小草較多，需要較高顯示硬件配置。 1 .4 論文主要結(jié)構(gòu) 三維渲染引擎編輯系統(tǒng)是 3D游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)重要研究內(nèi)容，也是該領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。它在 3D游戲、電影特效制作和多媒體創(chuàng)作等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。三維渲染引擎編輯系統(tǒng)主要包括三維場景的構(gòu)建和三維場景的編輯以及場景文件的載入和保存。 論文的主要結(jié)構(gòu)也源于以上 思想結(jié)構(gòu) ： 第一章主要介紹了國內(nèi)外渲染引擎以及渲染引擎編輯系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。出了本文的研究的背景與意義、國內(nèi)外研究的發(fā)展現(xiàn)狀，以及本論文的主要的研究內(nèi)容。 第二章 主要了解了 3D渲染引擎的基本概念，以及部分渲染工具的簡介。 第三章介紹渲染引擎簡介，介紹了渲染引擎的特性、框架結(jié)構(gòu)以及 Ogre引擎的簡介、渲染流程與管理以及 Ogre引擎的安裝與配置。 第四章講述渲染引擎編輯系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)過程。 第五章詳細(xì)講述了渲染引擎編輯系統(tǒng)的 實(shí)現(xiàn)過程 。 論文最后總結(jié)了整個(gè)研究和學(xué)習(xí)過程，同時(shí)對今后的工作和研究進(jìn)行了展望。 第二章 3D 渲染引擎簡介 4 第二章 3D 渲染引擎簡介 2 .1 3D 渲染 簡介 渲染（ Render）在電腦繪圖中，是指：用軟件從模型生成圖像的過程。模型是用嚴(yán)格定義的語言或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對于三維物體的描述，它包括幾何、視點(diǎn)、紋理以及照明信息。圖像是數(shù)字圖像或者位圖圖像。渲染這個(gè)術(shù)語類似于“藝術(shù)家對于場景的渲染” [3]。另外渲染也用于描述：計(jì)算視頻編輯文件中的效果，以生成最終視頻輸出的過程。 渲染是三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的最重要的研究課題之一，并且在實(shí)踐領(lǐng)域它與其它技術(shù)密切相關(guān)。在圖形流水線中，渲染是最后一項(xiàng)重要步驟，通過它得到模型與動(dòng)畫最終顯示效果。自從二十世紀(jì)七十年代以來，隨著計(jì)算機(jī)圖形的不斷復(fù)雜化，渲染也越來越成為一項(xiàng)重要的技術(shù)。 渲染的應(yīng)用領(lǐng)域有：計(jì)算機(jī)與視頻游戲、模擬、電影或者電視特效以及可視化設(shè)計(jì)，每一種應(yīng)用都是特性與技術(shù)的綜合考慮。作為產(chǎn)品來看，現(xiàn)在已經(jīng)有各種不同的渲染工具產(chǎn)品，有些集成到更大的建?；蛘邉?dòng)畫包中，有些是獨(dú)立產(chǎn)品，有些是開放源代碼的產(chǎn)品。從內(nèi)部來看，渲染工 具都是根據(jù)各種學(xué)科理論，經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)的程序，其中有：光學(xué)、視覺感知、數(shù)學(xué)以及軟件開發(fā)。 三維計(jì)算機(jī)圖形的預(yù)渲染或者實(shí)時(shí)渲染的速度都非常慢。預(yù)渲染的計(jì)算強(qiáng)度很大，通常是用于電影制作；實(shí)時(shí)渲染經(jīng)常用于三維視頻游戲，通常依靠帶有三維硬件加速器的圖形卡完成這個(gè)過程。 渲染的圖像有許多顯著的特性，渲染研究的領(lǐng)域，也主要集中在尋找：高效模擬這些特性的方法。有些特性只與特定的算法有關(guān)，有些卻與多個(gè)算法相關(guān)。 ? 濃淡處理 — 表面顏色與亮度隨光照的變化 ? 紋理映射 — 在表面生成細(xì)節(jié)的方法 ? 凸凹紋理 映射 — 在表面模擬小凸凹的方法 ? 距離模糊 — 光照穿過不清澈的大氣時(shí)的模糊 ? 陰影 — 阻擋光照的效果 ? 柔和陰影 — 模擬光的衍射下的陰影 ? 反射 — 鏡子或者非常光滑的反射 ? 透明 — 固體明顯允許光線穿過 ? 半透明 — 光線通過固體高度散射 第二章 3D 渲染引擎簡介 5 ? 折射 — 與透明相關(guān)的光線彎曲 ? 間接照明 — 表面由其它表面反射的光照亮，而非光源直接照亮 ? 焦散（ caustics） — 間接照明的一種形式，光滑物體反射的光線或者通過透明物體生成的聚焦光線在其它物體上形成照亮區(qū)域 ? 景深 — 當(dāng)物體在 焦距物體前后太遠(yuǎn)時(shí)出現(xiàn)模糊 ? 運(yùn)動(dòng)模糊 — 由于物體高速運(yùn)動(dòng)或者照相機(jī)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的物體模糊 ? 真實(shí)感渲染 — 看起來較像現(xiàn)實(shí)世界的三維渲染 研究人員已經(jīng)研究出了許多渲染算法，渲染軟件可以使用多種不同的技術(shù)，以生成最終圖像。對場景中的每束光線進(jìn)行跟蹤不太現(xiàn)實(shí)，并且需要耗費(fèi)大得驚人的時(shí)間。如果沒有采樣進(jìn)行很好的約束，即使是一部分光線的跟蹤以生成圖像也需要非常大量的時(shí)間。所以，大致可以分為四類的更加高效的光線傳輸模型技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。第一類是柵格化，包括掃描線渲染，這種方法考慮場景中的物體并將它們投影一 幅圖像，但是缺乏一些高級的視覺效果；第二類是光線投射，將場景從不同視角觀察，只根據(jù)幾何與反射強(qiáng)度的基本光學(xué)原理計(jì)算觀察到的圖像，也可能使用蒙特?卡羅方法減少人為噪聲；第三類是輻射著色，使用有限元分析方法模擬光