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        虛擬三維場景下渲染技術(shù)的研究

        2017-01-16 16:50:20王方王艷淑
        東方教育 2016年18期

        王方+王艷淑

        摘要:隨著計算機硬件與軟件技術(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(垂直是一個很有特性的理解)的三個方向,用這個三維坐標(biāo),看起來可以把整個世界任意一點的位置確定下來。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,三維動畫就是由三維制作軟件制作出來的立體動畫,實現(xiàn)再發(fā)展的趨勢。

        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 如果把時間當(dāng)作一種物質(zhì)存在的話再加上時間就是四維空間了。但是不難理解為,你可以在時間里任意往來 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,二維即只存在兩個方向的交錯,將一個二維和一個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,上下都只是相對于觀察的視點來說。沒有絕對的前后,左右,上下。

        三維技術(shù)主要多運用于動漫產(chǎn)業(yè),我國三維動畫主要有《探索地球村》(據(jù)說是中國第一部三維動畫),《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)團隊和文化、巨額的風(fēng)險資本注入,一直保持著高速發(fā)展。

        通過三維實景模擬的表現(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)等活動提供便捷的解決方案;為城市政府機關(guān)、事業(yè)單位、商家企業(yè)提供面向市民宣傳互動的快速通道,從而更方便地實現(xiàn)電子政務(wù)、地圖查詢、黃頁查詢、電子商務(wù)、推廣宣傳等社會活動和經(jīng)濟活動。

        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,催生了一個新的技術(shù)領(lǐng)域,E都市模式已經(jīng)成為事實的行業(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。因為Render和Shade值兩個詞在三維軟件中是截然不同的兩個概念,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,這時因為Shade采用的是一種實時顯示技術(shù),硬件的速度限制它無法實時地反饋出場景中的反射、折射等光線追蹤效果。而現(xiàn)實工作中我們往往要把模型或者場景輸出成圖像文件、視頻信號或者電影膠片,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)部處理圖形信號相互獨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,同時還取決于顯示核心架構(gòu)、渲染管線的的執(zhí)行效率、頂點著色單元的數(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技術(shù)的1條流水線的生產(chǎn)能力和效率反而還要強于只采用了老技術(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)。像素渲染器的計算結(jié)果可以寫入一個渲染目標(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float4類型的值。如果像素渲染器同時對幾個渲染目標(biāo)進行渲染,則最多可以輸出4個float4值,這種技術(shù)稱為多渲染目標(biāo)。

        2.1.3 頂點渲染

        頂點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,便將一個頂點數(shù)據(jù)傳遞給頂點渲染器,頂點可能包含位置、紋理坐標(biāo)、頂點顏色、法線等數(shù)據(jù)。頂點渲染器不能創(chuàng)建或刪除頂點,它處理結(jié)束后至少要輸出頂點中的位置數(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候,物體會吸收一些光色,同時也會漫反射一些光色,這些漫反射出來的光色到達我們的的眼睛之后,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影響我們的視覺之外,還會影響它周圍的物體,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”,其實這也蠻貼切的,因為物體在反射光色的時候,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,紋理不同都會產(chǎn)生各種不同的效果。而且,這個結(jié)果不是獨立存在的,它必須和前面所說的光源結(jié)合起來。如果場景中有粒子系統(tǒng),比如火焰、煙霧等,渲染程序都要加以“考慮”。

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