虛擬三維場(chǎng)景下渲染技術(shù)的研究

王方+王艷淑

摘要：隨著計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，三維可視化技術(shù)也日臻成熟。它以現(xiàn)實(shí)性、直觀性和逼真的視覺效果收到了人們的日益青睞，特別在區(qū)域地形地貌表示、軍事指揮、水利農(nóng)田重大工程規(guī)劃、城市仿真等案例中得到了廣泛的應(yīng)用。在此技術(shù)應(yīng)用的過程當(dāng)中，渲染技術(shù)是不可缺少的一部分。

1 三維場(chǎng)景

1.1 三維的概念

三維是指在平面二維系中又加入了一個(gè)方向向量構(gòu)成的空間系。

所謂三維，按大眾理論來講，只是人為規(guī)定的互相交錯(cuò)（垂直是一個(gè)很有特性的理解）的三個(gè)方向，用這個(gè)三維坐標(biāo)，看起來可以把整個(gè)世界任意一點(diǎn)的位置確定下來。原來，三維是為了確定位置。

三維既是坐標(biāo)軸的三個(gè)軸，即x軸、y軸、z軸，其中x表示左右空間，y表示上下空間，z表示前后空間，這樣就形成了人的視覺立體感，三維動(dòng)畫就是由三維制作軟件制作出來的立體動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)再發(fā)展的趨勢(shì)。

所謂的三維空間是指我們所處的空間，可以理解為有前后--上下--左右 如果把時(shí)間當(dāng)作一種物質(zhì)存在的話再加上時(shí)間就是四維空間了。但是不難理解為，你可以在時(shí)間里任意往來 回到過去，只是應(yīng)該理解為"剛才"和"現(xiàn)在"是不同的物質(zhì)存在，可是你不可能回到"剛才"和"過去"。

三維是由二維組成的，二維即只存在兩個(gè)方向的交錯(cuò)，將一個(gè)二維和一個(gè)一維疊合在一起就得到了三維。

三維具有立體性，但我們俗語常說的前后，左右，上下都只是相對(duì)于觀察的視點(diǎn)來說。沒有絕對(duì)的前后，左右，上下。

三維技術(shù)主要多運(yùn)用于動(dòng)漫產(chǎn)業(yè)，我國三維動(dòng)畫主要有《探索地球村》（據(jù)說是中國第一部三維動(dòng)畫），《魔比斯環(huán)》等。

1.2 三維地圖

2004年11月，阿拉丁在全球創(chuàng)造性地提出三維仿真城市的概念，并推出全球首個(gè)三維仿真網(wǎng)絡(luò)城市-E都市杭 州。公司從創(chuàng)辦之日起，憑借全球領(lǐng)先的三維仿真技術(shù)和工藝、一流的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)和文化、巨額的風(fēng)險(xiǎn)資本注入，一直保持著高速發(fā)展。

通過三維實(shí)景模擬的表現(xiàn)方式，E都市網(wǎng)站無縫集成了城市電子地圖、三維電子黃頁、生活資訊、電子政務(wù)、同城電子商務(wù)、同城交友、虛擬社區(qū)等服務(wù)內(nèi)容。該平臺(tái)是以一種全新的人性化WEB界面表現(xiàn)，為城市百姓的生活、工作、旅游、出行參考、網(wǎng)上辦事、網(wǎng)上創(chuàng)業(yè)等活動(dòng)提供便捷的解決方案；為城市政府機(jī)關(guān)、事業(yè)單位、商家企業(yè)提供面向市民宣傳互動(dòng)的快速通道，從而更方便地實(shí)現(xiàn)電子政務(wù)、地圖查詢、黃頁查詢、電子商務(wù)、推廣宣傳等社會(huì)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。

E都市的建立和發(fā)展，開拓了全球WEBGIS行業(yè)應(yīng)用的新方法和新思路，催生了一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域，E都市模式已經(jīng)成為事實(shí)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。作為中國目前最大的虛擬仿真電子地圖，E都市為普通人提供最優(yōu)秀的電子地圖和本地搜索服務(wù)；為眾多商家提供出了企業(yè)標(biāo)注、地圖廣告、定位廣告、商務(wù)地圖、API地圖租賃等多種產(chǎn)品服務(wù)；同時(shí)為3000多家合作網(wǎng)站提供了優(yōu)質(zhì)的三維位置地理信息服務(wù)。

2 渲染技術(shù)原理

渲染，英文為Render，也有的把它稱為著色，但我更習(xí)慣把Shade稱為著色，把Render稱為渲染。因?yàn)镽ender和Shade值兩個(gè)詞在三維軟件中是截然不同的兩個(gè)概念，雖然它們的功能很相似，但卻有不同。Shade是一種顯示方案，一般出現(xiàn)在三維軟件的主要窗口中，和三維模型的線框圖一樣起到輔助觀察模型的作用。很明顯，著色模式比線框模式更容易讓我們理解模型的結(jié)構(gòu)，但它只是簡單的顯示而已，數(shù)字圖像中把它稱為明暗著色法。在像Maya這樣的高級(jí)三維軟件中，還可以用Shade顯示出簡單的燈光效果、陰影效果和表面紋理效果，當(dāng)然，高質(zhì)量的著色效果是需要專業(yè)三維圖形顯示卡來支持的，它可以加速和優(yōu)化三維圖形的顯示。但無論怎樣優(yōu)化，它都無法把顯示出來的三維圖形變成高質(zhì)量的圖像，這時(shí)因?yàn)镾hade采用的是一種實(shí)時(shí)顯示技術(shù)，硬件的速度限制它無法實(shí)時(shí)地反饋出場(chǎng)景中的反射、折射等光線追蹤效果。而現(xiàn)實(shí)工作中我們往往要把模型或者場(chǎng)景輸出成圖像文件、視頻信號(hào)或者電影膠片，這就必須經(jīng)過Render程序。

2.1.1 渲染單元

渲染管線也稱為渲染流水線，是顯示芯片內(nèi)部處理圖形信號(hào)相互獨(dú)立的的并行處理單元。在某種程度上可以把渲染管線比喻為工廠里面常見的各種生產(chǎn)流水線，工廠里的生產(chǎn)流水線是為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)能力和效率，而渲染管線則是提高顯卡的工作能力和效率。

渲染管線的數(shù)量是決定顯示芯片性能和檔次的最重要的參數(shù)之一，在相同的顯卡核心頻率下，更多的渲染管線也就意味著更大的像素填充率和紋理填充率，從顯卡的渲染管線數(shù)量上可以大致判斷出顯卡的性能高低檔次。但顯卡性能并不僅僅只是取決于渲染管線的數(shù)量，同時(shí)還取決于顯示核心架構(gòu)、渲染管線的的執(zhí)行效率、頂點(diǎn)著色單元的數(shù)量以及顯卡的核心頻率和顯存頻率等等方面。一般來說在相同的顯示核心架構(gòu)下，渲染管線越多也就意味著性能越高，例如16×1架構(gòu)的GeForce 6800GT其性能要強(qiáng)于12×1架構(gòu)的GeForce 6800，就象工廠里的采用相同技術(shù)的2條生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)能力和效率要強(qiáng)于1條生產(chǎn)流水線那樣；而在不同的顯示核心架構(gòu)下，渲染管線的數(shù)量多就并不意味著性能更好，例如4×2架構(gòu)的GeForce2 GTS其性能就不如2×2架構(gòu)的GeForce4 MX440，就象工廠里的采用了先進(jìn)技術(shù)的1條流水線的生產(chǎn)能力和效率反而還要強(qiáng)于只采用了老技術(shù)的2條生產(chǎn)流水線那樣。

2.1.2 像素渲染

像素渲染可在功能上取代傳統(tǒng)的多紋理階段，它位于光柵化階段之后。它從光柵器、頂點(diǎn)渲染器、應(yīng)用程序、紋理貼圖幾處獲取數(shù)據(jù)。像素渲染器的計(jì)算結(jié)果可以寫入一個(gè)渲染目標(biāo)，然后將該渲染目標(biāo)設(shè)置為后續(xù)渲染的輸入紋理，這種技術(shù)稱為渲染到目標(biāo)。像素渲染器通常輸出一個(gè)float4類型的值。如果像素渲染器同時(shí)對(duì)幾個(gè)渲染目標(biāo)進(jìn)行渲染，則最多可以輸出4個(gè)float4值，這種技術(shù)稱為多渲染目標(biāo)。

2.1.3 頂點(diǎn)渲染

頂點(diǎn)渲染可在功能上取代傳統(tǒng)的變換與光照階段，它位于鑲嵌階段之后，剔除與裁剪階段之前。鑲嵌階段結(jié)束后，便將一個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞給頂點(diǎn)渲染器，頂點(diǎn)可能包含位置、紋理坐標(biāo)、頂點(diǎn)顏色、法線等數(shù)據(jù)。頂點(diǎn)渲染器不能創(chuàng)建或刪除頂點(diǎn)，它處理結(jié)束后至少要輸出頂點(diǎn)中的位置數(shù)據(jù)。

2.1.4 渲染紋理

色彩是光的一種特性，我們通?？吹降纳适枪庾饔糜谘劬Φ慕Y(jié)果。但光線照射到物體上的時(shí)候，物體會(huì)吸收一些光色，同時(shí)也會(huì)漫反射一些光色，這些漫反射出來的光色到達(dá)我們的的眼睛之后，就決定物體看起來是什么顏色，這種顏色在繪畫中稱為“固有色”。這些被漫反射出來的光色除了會(huì)影響我們的視覺之外，還會(huì)影響它周圍的物體，這就是光能傳遞。當(dāng)然，影響的范圍不會(huì)像我們的視覺范圍那么大，它要遵循光能衰減的原理。另外，有很多資料把RADIOSITY翻譯成“熱輻射”，其實(shí)這也蠻貼切的，因?yàn)槲矬w在反射光色的時(shí)候，光色就是以輻射的形式發(fā)散出去的，所以，它周圍的物體才會(huì)出現(xiàn)“染色”現(xiàn)象。

在這之后，渲染程序還要根據(jù)物體的材質(zhì)來計(jì)算物體表面的顏色，材質(zhì)的類型不同，屬性不同，紋理不同都會(huì)產(chǎn)生各種不同的效果。而且，這個(gè)結(jié)果不是獨(dú)立存在的，它必須和前面所說的光源結(jié)合起來。如果場(chǎng)景中有粒子系統(tǒng)，比如火焰、煙霧等，渲染程序都要加以“考慮”。