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国内外三维图形引擎研究现状
时间:2019-11-26    评论:0
    来源:第三维度
    作者:魏新亮,孙伟
    单位:中山大学软件学院

    虚拟现实(Virtual Reality,简称 VR,又称为虚拟实景),是一种基于可计算信息的多通道的沉浸式交互环境,它是以计算机技术为核心,结合其他相关科学技术(如交互技术、人工智能等),生成一个在视、听、触感等方面与逼真环境高度近似的数字化环境,用户可以借助其他设备与该环境进行交互,从而产生身临对应真实环境的感受和体验。虚拟现实的研究已经有 20 多年,直到现在,它仍是计算机图形学三大热门话题之一。它以“3I”的特性 (Immersion 沉浸感、Interaction 交互式、Imagination想象力),应用于各个方向领域,包括公共安全、工业设计、医疗辅助、军事模拟、航空航天、交通规划和文化教育等,其应用又集中在培训演练、规划设计和展示娱乐三方面。

“3I”特征:沉浸–交互–想象

    国外研究现状

    SRI 研究中心建立了“视觉感知计划”,研究现有 VR 技术的进一步发展。1991 年后,SRI 进行了利用 VR 技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究。另外,SRI 中心还利用遥控技术进行外科手术仿真的研究。

    美国北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是 VR 研究最早最著名的大学。他们主要研究分析建模、航空驾驶、外壳手术仿真、建筑仿真等技术。由 Brooks 教授领导的小组成功研制了第一个用于建筑设计的Walk-through 虚拟建筑漫游系统,用户可以在虚拟的 UNC 计算机系大楼里面漫游。伊利诺斯州立大学研制出在车辆设计中,支持远程协作的分布式 VR 系统。不同国家、不同地区的工程师们可以通过计算机网络实时协作进行设计。研究人员在系统中采用了虚拟原型,从而减少了设计图像和新产品进入市场的时间,而且可以在新产品生产之前就能对其进行估算和测试,这样就大大地提高了产品质量。


    美国宇航局(NASA)的 Ames 实验室完善了 HMD,并将 VPL 的数据手套工程化,使其称为可用性较高的产品。NASA 研究的重点放在空间站操纵的实时仿真上,大多数研究是在 NASA 的约翰逊空间中心完成的。他们大量运用了面向座舱的飞行模拟技术。NASA 完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。

    美国 UC Berkeley 漫游工作室在建筑漫游方面的工作颇具代表性。他们对 Berkeley 大学计算机系大楼 Soda Hall 进行了模拟漫游,用于及时发现并修正了建筑设计中存在的缺陷。Soda Hall 模型由 1418807个多边形构成,占据 21.5M 硬盘空间,使用了 406 中材质及 58 种不同纹理。由于研究小组开发了高效的漫游引擎,实现了 Soda Hall 在 SGI Power Series 320 平台上的实时漫游。

    麻省理工大学(MIT)是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。MIT 原先就是研究人工智能、机器人和计算机图形学以及动画的先锋。这些技术都是虚拟现实技术的基础。MIT 在 1985 年成立了媒体实验室,进行虚拟环境的正规研究。媒体实验室建立了一个名叫 BOLIO 的测试环境,用于进行不同图形仿真技术的实验。利用这一环境,MIT 建立了一个虚拟环境下的对象运动跟踪动态系统。

    三维图形引擎的发展

    最早的一款图形引擎 Space Rogue 诞生于 1990 年,由 Origin System 公司开发,这个引擎的出现给以后的引擎带来了一个惯例,就是用游戏名来命名引擎名,一直沿用至今。可惜受限于当时的物理运算能力,引擎的运算速度也被完全限制了,以至于这款引擎运行在 386 配置上的引擎,在 486 的机器上运行显得非常吃力。虽然这款引擎并未取得太大的成功,但是它却为游戏开发带来了春天,此后图形引擎如雨后春笋般一发不可收拾。

    1992 年,由 NovaLogic 公司开发的 Voxel 引擎问世,在此引擎基础上开发的作品有很多闻名于世的,包括命令与征服、红色警戒 2、三角洲等等。它在 3D 领域的尝试上迈出了重要的一步,结合体积和像素的概念,让 2D 的块拥有了高度,使图形更加平滑翔实。

    1993 年,ID Software 公司开发了 ID tech 引擎,与此同时出现的就是大名鼎鼎的世界第一款三维第一人称射击游戏——DOOM,尽管它知识一款伪 3D 的引擎,但在当时主流 VGA 显卡的环境纹理映射渲染技术的支持下,让玩家在一台 386 机器上就可以领略到 DOOM 的风采[7]。同年,一款更加出名的游戏《毁灭公爵》让其开发引擎 Build 名声大噪。

    1995 年,世界第一款真正的三维引擎 Xngine 终于横空出世,带来了著名的上古卷轴系列,创造出真实的游戏世界。一年以后由 ID Software 公司开发的 Quake 引擎,采用了大量技术包括 Z-buffer,三维光源以及抗锯齿等,使雷神之锤占据了游戏的主流,也预示着三维图形引擎开始走向成熟。

    在此之后,越来越多的商业三维图形引擎涌现出来,如 RenderWare,Quake II/ID Tech2,Cyan Plasma,GoldSRC,Unreal,Lithtech,Outcast,Quake III/ID Tech 3,GeoMod,Torque,Serious,Max-FX。几乎每一个引擎的名字都代表了新技术的发展,都代表着一个著名游戏系列的出现,都意味着一次图形学技术的进步,都使得图形引擎产业更加繁荣。

    到现在为止,一个又一个的优秀引擎将游戏图形技术推向了更高峰,以 CryEngine 2 和 Unreal 3 为代表的优秀引擎更是在当前硬件条件支持下,将各种游戏图形发展到一个登峰造极的高度。游戏开发者完全可以利用引擎所给出的 API 快读的开发出极高质量的游戏,而不需要再编写大量冗余的代码,真正达到了所见即所玩的程度。

   国内研究现状

    北京航空航天大学计算机系是国内最早研究 VR 技术,最有权威的单位之一。他们进行了一些基础知识的研究,并开发了自己的虚拟现实运用系统平台,设计了虚拟环境漫游引擎,实现了诸如虚拟校园、飞行员模拟训练、房地产项目虚拟花园、虚拟珠峰漫游等项目。

    清华大学计算机系对虚拟现实和临场感方面进行了研究,在球面屏幕现实和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。

    浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。该系统采用了层面叠加的绘制技术和预消隐技术,实现了立体视觉,同时还提供了方便的交互工具,使整个系统的实时性和画面真实感都达到了较高的水平。另外,他们还改进了快速漫游算法和递进网格的快速生成算法,开发了虚拟紫禁城等虚拟环境漫游项目[4]。

    四川大学计算机学院开发了一条基于 OpenGL 的三维图形引擎 Object-3D,该系统在微机上使用Visual C++5.0 语言实现,其主要特征是:采用面向对象机制;与建模工具如 3D Max,MutiGen 相结合;对用户屏蔽一些底层图形操作;支持常用三维图形显示技术;支持动态裁剪技术等。

    中国地质大学分析了基于微机的三维应用程序的结构特点,提出了一个基于 OpenGL 和 Direct 3D 两种 3D API 的三维图形引擎结构框架。该框架已经成功应用到他们自己开发的系统“三维城市景观浏览器Map3DViewer”中,并收到了较好的效果[5]。

    2003 年,国家 863 计划正式将游戏引擎的研发纳入国家高科技发展计划,并将研发的任务交给了金山公司。金山公司的负责人也表示,他们已经开发出一个比较完善的引擎并应用与游戏开发中,最具代表性的游戏就是《剑网 3》。该引擎应用“植被渲染、地形渲染、Nomal Map、Speed Tree、柔体程序算法”等先进技术,从而保证游戏的画面的真实感。

    2007 年涂鸦软件发布的 Origo Engine (起点引擎)是国内第一款商用三维图形引擎,作为国内商用三维图形引擎的起点,其绘制质量和效率都有不错表现,初步具备与国外引擎竞争的实例。

    2012 年,畅游自主研发的 Darkfire Engine (黑火引擎)发布,该引擎是专为次世代游戏开发而生的三维游戏引擎,其集成了主流的光影特效算法,在表现力上更上了一个台阶。

    此后,由于各三维引擎的发展,出现了一大批游戏和影视特效公司,如网易、搜狐、巨人集团以及水晶石数字科技有限公司等等。并且很多大学也相继建立了图形学国家重点实验室,开始研究虚拟现实和三维图形引擎的理论知识,开发了自主的图形引擎并实现了一批又一批的应用系统。

    中山大学信息技术教育部重点实验室自主研发了一款基于 XNA/Sliverlight 的三维图形引擎,该引擎能够很好地仿真出自然场景中的物体,包括天空、水、雨、树木等,并具有良好的柔和阴影贴图功能。目前基于该引擎,该实验室与各相关部门合作开发了大量的虚拟展示平台,效果良好。
标签:引擎QuakeUnrealUnity
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