3D渲染在城市數(shù)字化模型渲染中的應(yīng)用

周 佶，尤 翔

ZHOU Ji，YOU Xiang

（南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 工程圖學(xué)中心，南京 210009）

0 引言

本文解決了城市數(shù)字化模型搭建中，超大規(guī)模數(shù)字模型的渲染與軟硬件設(shè)備和工作效率之間的矛盾。重點(diǎn)在于在現(xiàn)有軟硬件設(shè)備的情況下，找出更加合理的技術(shù)解決方案，實(shí)現(xiàn)快速三維渲染成像。

現(xiàn)在渲染引擎很多，各有特點(diǎn)，有些渲染效果好，但速度慢，有些速度快但則渲染效果較差。其中渲染參數(shù)的設(shè)定是很重要的，本文的“UF參數(shù)組群”法可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。

1 UF渲染的參數(shù)組群“Render ＆Combination of Parameter”

渲染是生成虛擬場(chǎng)景圖像的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。針對(duì)此環(huán)節(jié)，各種軟件都提出了自己的解決方案。但是大多數(shù)的軟件中的渲染算法未能解決海量數(shù)據(jù)模型中對(duì)渲染的多種要求。針對(duì)本文的要求，我們重點(diǎn)對(duì)各種渲染算法進(jìn)行了研究，并從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中總結(jié)出一套行之有效的參數(shù)組群。

2 渲染算法分析

1）每一個(gè)渲染器都基于一套基本的求解算法，這些算法的名稱(chēng)大家都已耳熟能詳了。基本渲染算法有三種：Scanliner（掃描線(xiàn)）、Raytrace（光線(xiàn)跟蹤）、Radiosity（輻射度）。Scanliner與Raytrace都為大多數(shù)軟件所采用，而Radiosity就只有BMRT與Lightscape采用。Scanliner最早被開(kāi)發(fā)，應(yīng)用亦最廣泛。其中Renderman的REYES（Render Everything You'd Ever Seen）算法是Scanliner的最極致的發(fā)揮，但也表示Scanliner已經(jīng)走到了盡頭了。

Raytrace的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它最初用來(lái)求解非漫反射面之間的光能傳遞，即反射與折射的模擬。后來(lái)分布式光線(xiàn)跟蹤與雙向光線(xiàn)跟蹤得到長(zhǎng)足發(fā)展，特別是先進(jìn)的有限元采樣算法得到發(fā)展后，光線(xiàn)跟蹤也被應(yīng)用于漫反射面的光能傳遞求解。MentalRay的Global Illumination、Vray、Brazil、FinalRender就是很好的例子。其中，分布式光線(xiàn)跟蹤的算法決定了軟件輸出的質(zhì)量。MentalRay假定每個(gè)元面都有一張PhotonMap（在雙向光線(xiàn)跟蹤算法的創(chuàng)始人Arvo（ARVO1986）的論文中叫Illumination Map），在PhotonMap上投射光線(xiàn)采樣，然后把PhotonMap像Texture一樣貼在元面上。所以MentalRay必須設(shè)定光線(xiàn)的大?。≧adius）以方便在PhotonMap上采樣。這樣保證了速度，但要在有豐富經(jīng)驗(yàn)的人調(diào)較下才能渲染出高質(zhì)量的圖片。Brazil直接用半球體采樣，用立體方位角投射到元面表面，類(lèi)似于Radiosity算法的立方體采樣，但Brazil通過(guò)控制輻射殘差來(lái)加快速度，也犧牲了質(zhì)量，所以在采樣不足的情況下，Brazil渲染的質(zhì)量是最差的。Vray用有限元采樣，同時(shí)保證了速度和質(zhì)量。有限元是一種結(jié)合Radiosity的采樣方法。Radiosity是在80年代末發(fā)展起來(lái)的渲染算法，它采用熱力學(xué)的輻射積分式：

B（x）=E（x）+p（x）$B（x'）[cos（x）cos（x'）/pi*r^2]*HID（dS（x）,dS（x'））dA（x'）

其中x'為源元面，x為目標(biāo)元面，B（x）是x的輻射度分量，E（x）是x的源能量，p（x）是x的漫反射系數(shù),$是對(duì)元面x積分，HID是遮擋函數(shù)（x與x'之間有遮擋為0，沒(méi)有則為1），dA（x）是x的面積。可以看到，Radiosity是通過(guò)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的表面都求解輻射度來(lái)達(dá)到模擬光能傳遞效果。Lightscape的求解過(guò)程就是Radiosity的Shooting過(guò)程，它采用空間四叉樹(shù)算法來(lái)加速求解，所以速度比較快。Radiosity渲染基于物理學(xué)理論，其渲染效果真實(shí)，是Raytrace所不能比擬的，但從視覺(jué)效果上考慮，現(xiàn)在Raytrace和Radiosity不相上下，在速度上，Raytrace更占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。而且，Refract（折射）、caustic（焦散效果）是Radiosity無(wú)法模擬的（所以L(fǎng)ightscape也帶了Raytrace渲染器）。

2）每個(gè)渲染器都有貼圖的優(yōu)化算法，這也是渲染的關(guān)鍵。因?yàn)楦呒?jí)的渲染往往極依賴(lài)貼圖，所以貼圖的質(zhì)量是十分重要的！Renderman的優(yōu)化算法堪稱(chēng)第一！它用了先進(jìn)的改良式B-spline（B樣條）算法，克服了許多貼圖變形的問(wèn)題，尤其是在同等元面由于鏡頭焦距不一引起的走樣。

3）光能傳遞。Lightscape中的完成百分比實(shí)際是它估算的環(huán)境內(nèi)輻射平衡殘差，但也可以看作是封閉環(huán)境中剩余的未平衡能量。

Raytrace極其成功地解決了兩種傳遞：非漫反射面～非漫反射面和漫反射面～非漫反射面。

Radiosity把元面上的光能看作整體，采用全局求解的方法，先把整個(gè)場(chǎng)景的光能分布求出，再在屏幕上顯現(xiàn)。它不在受一條條的光線(xiàn)所限制，而把能量一分分地送出去。

PhotonMap用在Caustic上是一種十分精確的方法，但在全局光照里就屬于基于視覺(jué)上的算法，并不精確真實(shí)。

根據(jù)對(duì)上述渲染算法的研究，我們發(fā)現(xiàn)，速度與質(zhì)量始終是一對(duì)矛盾。解決這一矛盾的最好辦法就是針對(duì)不同的模型對(duì)象采用不同的渲染計(jì)算方式，并且將這些計(jì)算方式的參數(shù)組群化。

在本文的渲染中我們重點(diǎn)選擇了Scanliner（掃描線(xiàn)）、Retrace（光線(xiàn)跟蹤）兩種渲染計(jì)算法；PhotonMap和ShadowMap兩種渲染貼圖計(jì)算方式；選擇Radiosity、Raytrace 以及Raytrace 中PhotonMap光照?qǐng)D和BSP模式作為渲染光能傳遞方式。

3 不同場(chǎng)景下對(duì)象所用渲染技術(shù)選擇

不同場(chǎng)景下根據(jù)成像要求的不同，應(yīng)該選擇不同的渲染計(jì)算方式，具體選擇方法，如表1所示。

4 參數(shù)組群

根據(jù)以上選擇的渲染計(jì)算方法，我們主要采用了Scanliner和Vray的分布式等兩種渲染引擎，并針對(duì)輸出圖像的細(xì)致要求程度進(jìn)行了參數(shù)組群化。不同的對(duì)象選用不同的渲染引擎參數(shù)。Scanliner渲染引擎參數(shù)組群如表2所示。

表1 不同場(chǎng)景對(duì)象渲染技術(shù)選擇

表2 Scanliner渲染引擎參數(shù)組群

圖1 Scanliner渲染引擎粗參數(shù)渲染

使用上述參數(shù)組群的各種渲染效果：Scanliner渲染引擎粗參數(shù)渲染的效果如圖1所示 ，Vray的分布式等兩種渲染引擎粗參數(shù)渲染的效果如圖2所示。

5 結(jié)論

圖2 Vray的分布式等兩種渲染引擎粗參數(shù)渲染

本文所舉應(yīng)用實(shí)例，因?yàn)樾枰从炒竺娣e區(qū)域的整體規(guī)劃，因而無(wú)論從規(guī)模上還是數(shù)據(jù)量上都屬于大場(chǎng)景城市虛擬模型?？偨Y(jié)本文的研究結(jié)果，我們認(rèn)為，對(duì)于要求逼真效果的虛擬場(chǎng)景渲染，本文的研究成果可以使普通渲染人員在渲染參數(shù)組群的指導(dǎo)下順利完成，且能夠保證品質(zhì)的統(tǒng)一性。