【正文】 ......................................................................................................... 34 5 .4 光線模塊 ................................................................................................................. 35 5 .5 模型導(dǎo)入 ................................................................................................................. 36 5 .6 測(cè)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(shū)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(duì)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(huà)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(duì)三維模型、三維場(chǎng)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(méi)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(guò)代碼實(shí)現(xiàn)，這不僅對(duì)開(kāi)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(kāi)發(fā)工具，不僅可以降低開(kāi)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(lái)的場(chǎng)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(kāi)始廣泛地應(yīng)用于到各行各業(yè)之中，并開(kāi)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(kāi)始越來(lái)越受到開(kāi)發(fā)者們的關(guān)注 [1]。目前，通過(guò)上層高度抽象封裝調(diào)用底層驅(qū)動(dòng) API，組織資源，并對(duì) 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(chǎng)景的 3D程序，正成為其中一個(gè)熱門(mén)的開(kāi)發(fā)方向 [2]。其中， 3D游戲開(kāi)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(chǎng)規(guī)?？梢钥闯鼍W(wǎng)絡(luò)游戲正越來(lái)越成為人們的一種日常休閑娛樂(lè)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(shuō)來(lái)，從事 3D 游戲開(kāi)發(fā)不外乎兩種方法，一種是利用已有的具有世界項(xiàng)級(jí)水平的 3D 引擎進(jìn)行開(kāi)發(fā)；另一種是自行開(kāi)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(duì)圖形渲染算法有很高的要求。由于國(guó)內(nèi)研究 3D 圖形渲染起步較晚，以至于到現(xiàn)在還沒(méi)有一款高質(zhì)量的渲染引擎供國(guó)內(nèi)的游戲行業(yè)使用。國(guó)內(nèi)的絕大部分 有影響力的游戲公司都是購(gòu)買國(guó)外的高價(jià)引擎后再進(jìn)行游戲開(kāi)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(wú)法承受之重；第二：國(guó)外廠商對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(wèn)題不能得到及時(shí)的解決。 OGRE 渲染引擎是國(guó)外的開(kāi)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(zhǎng)期支持著渲染引擎的升級(jí)更新。由于該渲染第一章 緒論 2 引擎是開(kāi)源的并且又具備良好的性能，所以越來(lái)越多的國(guó)人也開(kāi)始研究這款渲染引擎。在不久的將來(lái)，就會(huì)有國(guó)內(nèi)的游戲公司利用 OGRE 開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的游戲。 本課題是在研究國(guó)外開(kāi)源渲染引擎 OGRE的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)渲染引擎編輯系統(tǒng)，本編輯系統(tǒng)充分利用了國(guó)外開(kāi)源的 OGRE第三方插件庫(kù)，目的是最大限度的增強(qiáng)三維場(chǎng)景編輯效果和渲染效果 [2]。 1 .2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 在國(guó)外，開(kāi)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(guò)于 3Ds Max了。 3Ds Max是美國(guó) 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(jué)效果，角 3色動(dòng)畫(huà)及下一代的游戲開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。至今 3dsmax獲得過(guò) 65個(gè)以上的業(yè)界獎(jiǎng)項(xiàng)，而 3ds max9將繼承以往的成績(jī)并加入新的角色動(dòng)畫(huà) 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(jí)渲染器的連接，比如 Mentalray和 Renderman，來(lái)產(chǎn)生更好渲染效果如全景照亮，聚焦及分布式渲染 [3]。 國(guó)內(nèi)圖形研發(fā)一直落后于國(guó)外； 3D引擎更由于研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、投入高、風(fēng)險(xiǎn)大而致使很少公司問(wèn)津。相對(duì)于國(guó)外數(shù)十年的游戲引擎發(fā)展史，國(guó)內(nèi)仍處于落后階段。 2021 年初，中國(guó)網(wǎng)絡(luò)游戲市場(chǎng)丌始發(fā)展起來(lái)，國(guó)內(nèi) 3D游戲引擎的研究也由之開(kāi)始迅速發(fā)展起來(lái)。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(lè)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(guó)內(nèi)的 3D引擎上己經(jīng)可以開(kāi)發(fā)相關(guān)的游戲或應(yīng)用，但也僅僅是針對(duì)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(zhǎng)的路要走。目前國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)游戲雖然有著巨大的需求，但國(guó)人自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 3D引擎卻很少；因此研發(fā)國(guó)人自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 引擎是大勢(shì)所趨。各大游戲公司也加大了自主研發(fā)的力度；同時(shí)國(guó)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(guó) 3D 引擎開(kāi)發(fā)的發(fā)展。 我國(guó) 當(dāng)前 仍 處于 相對(duì)落后的位置，起步晚，技術(shù)力量上的薄弱，國(guó)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(chǎng)熱火朝天，但真正屬于國(guó)人的游戲卻少之又少，國(guó)內(nèi)玩家普遍傾向于日韓歐美的游戲。有關(guān)國(guó)家部門(mén)也對(duì)此相當(dāng)?shù)仃P(guān)注，通過(guò)政策，資金，教育甚至 863 計(jì)劃來(lái)大力扶植國(guó)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(kāi)發(fā)環(huán)境， Ogre為主要渲染引擎。通過(guò)對(duì)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)景中間的綠色吉普車的場(chǎng)景。有一個(gè)可以隨鼠標(biāo)移動(dòng)的視角，可通過(guò)鍵盤(pán)上的 W、 A、 S、D四個(gè)鍵來(lái)控制位置。 天空的白云與綠色的地表通過(guò)貼圖平鋪實(shí)現(xiàn)，地表小草通過(guò)代碼隨機(jī)排列，吉普車是通過(guò)貼圖立體組成的 mesh文件。由于地表場(chǎng)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(huà)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的一個(gè)重要研究?jī)?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(chǎng)景的構(gòu)建和三維場(chǎng)景的編輯以及場(chǎng)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(guó)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(guó)內(nèi)外研究的發(fā)展現(xiàn)狀，以及本論文的主要的研究?jī)?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(jiǎn)介。 第三章介紹渲染引擎簡(jiǎn)介，介紹了渲染引擎的特性、框架結(jié)構(gòu)以及 Ogre引擎的簡(jiǎn)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(guò)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(guò)程 。 論文最后總結(jié)了整個(gè)研究和學(xué)習(xí)過(guò)程，同時(shí)對(duì)今后的工作和研究進(jìn)行了展望。 第二章 3D 渲染引擎簡(jiǎn)介 4 第二章 3D 渲染引擎簡(jiǎn)介 2 .1 3D 渲染 簡(jiǎn)介 渲染（ Render）在電腦繪圖中，是指：用軟件從模型生成圖像的過(guò)程。模型是用嚴(yán)格定義的語(yǔ)言或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)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(yǔ)類似于“藝術(shù)家對(duì)于場(chǎng)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(guò)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(guò)它得到模型與動(dòng)畫(huà)最終顯示效果。自從二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形的不斷復(fù)雜化，渲染也越來(lái)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(lái)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模或者動(dòng)畫(huà)包中，有些是獨(dú)立產(chǎn)品，有些是開(kāi)放源代碼的產(chǎn)品。從內(nèi)部來(lái)看，渲染工 具都是根據(jù)各種學(xué)科理論，經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)的程序，其中有：光學(xué)、視覺(jué)感知、數(shù)學(xué)以及軟件開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò) ? 半透明 — 光線通過(guò)固體高度散射 第二章 3D 渲染引擎簡(jiǎn)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(guò)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(lái)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(duì)場(chǎng)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(méi)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(chǎng)景中的物體并將它們投影一 幅圖像，但是缺乏一些高級(jí)的視覺(jué)效果；第二類是光線投射，將場(chǎng)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