实时三维图形动态绘制技术

真实的虚拟世界不仅要求物体建模几可乱真，还要保证场景画面能根据用户的视角变化做出同步更新，即立体画面必须随用户视线方向的改变，场景中物体的运动而实时刷新。

固定路线的场景漫游的画面是固定，其追求的是三维建模技术的图形真实感与高质量，对于每帧画面的绘制速度并没有严格的限制。在虚拟现实的三维场景建模过程中，用户出现的位置及移动方向并不固定，因此，在保证画面质量的同时，对图形的绘制速度有严格要求，这就需用限时计算技术来实现。

实时动态绘制技术是指利用计算机为用户提供一个能从任意视点及方向实时观察三维场景的手段。当用户的视点变化时，图形显示速度必须跟上视点的改变速度，否则就会产生迟滞现象；而要消除迟滞现象，计算机必须每秒生成15～30帧图像。图像帧速高而等待时间短是实时动态绘制技术期望的目标。

1.基于几何图形的实时绘制技术

为保证三维图形的刷新频率不低于30帧/s，在提高硬件系统配置的同时，还应采用合适的算法来降低场景的复杂度。场景复杂度由三维建模过程中图形系统需处理的多边形数目决定，例如，在绘制树叶纤毫毕现的森林场景时，电脑需处理的多边形数目就远多于同样大小的沙漠场景，场景显示帧率明显下降。为解决这一问题，同时尽可能保证虚拟世界的场景质量，可通过脱机计算、场景分块、可见消隐、细节层次模型等技术，降低场景的复杂度，从而提高三维场景的动态显示速度。

（1）脱机计算

仔细分析某些单机游戏或网络游戏的过场动画时发现，部分场景动画中出现玩家控制的人物形象，需要进行实时计算；而另一些场景动画没有玩家参与，可进行提前绘制，需要时直接播出。虚拟现实技术中也采用类似的方法提高场景显示速度，即在实际应用中尽可能将一些可预先计算好的数据进行预先计算并存储在系统中，这样可加快运算速度。

（2）场景分块

我们站在客厅中时，看不见隔壁的卧室内的场景，这一视觉效果被用于提高三维场景的动态显示速度中，就称为场景分块（World Subdivision）。场景分块是指一个复杂的场景可以被划分为多个子场景，各子场景之间几乎不可见或完全不可见。该方法常用于封闭空间中的场景建模，例如，将建筑物按房间划分为多个子部分等，但对开放空间很难使用这种方法。

（3）可见消隐

假设我们站在宏伟的广场上，向左转时就看不到右边的情景，反之亦然。在三维场景的绘制过程中，仍可遵循这一原则，并通过消隐用户视线以外的物体以提高场景建模的运算速度。场景的可见消隐指基于给定点的视点和视线方向，决定场景中哪些物体的表面是可见的，哪些是被遮挡而不可见的。场景分块仅与用户所处场景位置有关，而可见消隐与用户的视点关系密切。假如用户仅只能看见场景的很少一部分，那么系统需要显示的场景将大大缩小，但当用户视线不受限制时，此法无效。例如，坐在轿子中环游世界，只要不掀起轿帘，则系统只需显示轿子内部的环境；然而坐在敞篷车里环游世界，则系统需一直显示车外周遭的环境。

（4）细节层次模型

我们从1米距离内观察一个盆栽和在50米外观察它，看到的细节信息是不一样的，这一视觉效果也被用于提高场景实时绘制速度中。所谓细节层次模型（Level of Detail，LOD），是对同一个场景或场景中的物体使用具有不同细节的描述方法从而得到的一组模型。如图8-24所示，对于离视点较远或比较小的物体，我们采用较粗糙的细节层次模型绘制，反之，如果物体离视点较近或物体比较大，就需要采用较精细的细节层次模型绘制。

图8-24 细节层次模型

2.基于图像的绘制技术

传统图形绘制技术均是面向景物的几何图形的，它有很多优点，特别是场景中的观察点和观察方向可以随意改变而不受限制。由于绘制过程涉及复杂的消隐和光亮度计算过程，对高度复杂的场景，现有的计算机硬件仍难以实时绘制简化后的场景，因此出现了基于图像的实时绘制技术。基于图像的绘制技术是用二维的场景图像来代替大的静态场景多边形网格，从而减少场景绘制的多边形数目。我们在游戏中经常看到的地图边缘的树木实际由十字交叉的平面树组成，这个就是基于图像绘制技术的一种表现。

该技术的优点主要有：绘制速度与场景复杂性无关，而仅与所需生成画面的分辨率有关；预先存储的图像既可以是计算机合成的，也可以是实际拍摄的画面，而且两者可以混合使用；绘制技术对计算机资源的要求不高，可以在普通工作站和个人计算机上实现复杂场景的实时显示。该技术的缺点是用二维图像信息替代三维场景对象，不能满足用户同场景对象交互的需要。

基于图像的绘制技术主要采用三种方法来提高实时系统中场景绘制的帧速率：纹理映射技术，通过在几何模型表面进行纹理映射来表示模型表面的细节；布告版技术，通过屏幕空间排列的多边形图像来提高场景中静态对象（如游戏场景中的树等）的绘制；用几何模型的图像来替代场景中的三维几何体。