3D游戏加速技术回顾及发展现状

科技信息 计算机与网络———————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一一 3D游戏加避技商回顾及发展坝状 山东理工大学计算机科学与技术学院黄旭巩秀钢 [摘要]本文我们将结合技术和软件体系结构讨论一下在当前用于游戏和视觉模拟仿真系统的3D动态图形加速技 术的回顾及发展现状。其中包括openGL，DirectX等技术。在结论部分对当前计算机图形和3D游戏加速技术的发展 做了一个概括性。 [关键词]openGLDirectX图形API纹理 1、引富 在这篇文章中，我们首先回顾一下3D图形技术的发展以 及当前的发展水平，然后我们将要讨论一些结合3D渲染效果 的技术。目前3D加速所遇到的问仍然存在，空间图像失真、 深度渲染、动画时序紊乱，使得动态图像看起来好像。太完美了” 从而使图像显得不真实。有一个问题就是要产生一个更好的阴 影效果和完美的渲染效果而不是使它们变得混乱。然而，要达到 这种效果势必会增加游戏图像的真实性，同时也会加大开发游 戏的任务。 我们希望这些情况可以通过开发当前的硬件功能，比如纹 理图像支持等得到改善。这将会使软件或游戏开发者获得更多 的自由从而用他们自己的方式去建立3D渲染，而消费者也会 从中获益，他们购买了拥有这些技术的游戏回家，玩起来会觉得 更加真实有趣。 2、计算机图形学的发展历史 随着1945年名为ENIAC(ElectroIlicNumerical111tergra— torAndcomputer)的第一台电子计算机的诞生，计算机图形学 也相继建立起来．到了20世纪的50年代，计算机可以强大到处 理计算机图形数据，从而可以绘制线型的、特殊的矢量显示仪器 被制造出来加入到计算机中。 矢量显示器要产生线型结构的图像仅仅需要很小的存储空 间，但要耗费很大的计算机内存，而且一次只能绘制一条线段。 到了60年代早期，大众汽车和IBM联合设计了DAc一1型计 算机，可以使用户输入几何图形然后从不同角度观察它们[1]。 到了20世纪60年代，DEc公司生产了PDP一1型计算机。 MIT(麻省理工大学)买下了一台这种计算机，MIT的学生Ivan sutherland发明了第一个头型显示设备。这种设备可以显示2 维线型结构的图像，这两个图形由眼睛不同角度的观看产生。这 项技术建立了景深效果的原型。1967年，大众电子为NAsA设 计了第一款实时飞行模拟器。 到了70年代，计算机的运行速度、质量都有所提高，价格却 降低了很多，更快的显示设备相继问世。光栅显示设备可以给图 像加上马赛克从而产生不同颜色的阴影。1971年，He盯i Gouraud提出了一个额外增加多边形颜色以产生连续的抵抗无 光泽物体的算法，后来，在尤他州大学PhongBtli—Tbung提出 了一个和Gouraud相似的算法，旨在建立多边形表面模型。 1982年，siliconGrapKcs生产的计算机有了嵌入式图像处 理能力。此后，计算机图像学开始出现移动的动画图像，第一个 是由迪斯尼公司的Tron制作出来的30分钟的计算机动画。 1991年3D图像的出现促使基于mM个人电脑的游戏产 业的快速发展。同年，John carmack，A“ancarmack蚰dJohnRomero等人利用id 软件制作了wolfenstein3D游戏(如图1所示)虽然这款游戏运 用了简单的纹理图像和工程技术，但是这款游戏使3D游戏的 期望值大大提高，使id软件用于图像技术的经典得到后续。 图1利用id软件制作的wolfenstein3D游戏 一202一 目前，大多数的基于3D算法的图形加速卡已经嵌入到个 人电脑的硬件中，人们可以买的起了。随着3D加速卡的发展， 以前用于专门工作站的优质实时3D图像现在也可以用在普通 PC机上(如图2所示)。 图2利用id软件制作的后续Wolfenstein3D游戏 在windows95出现以前由于图形加速卡程序的多样化，3D 加速卡市场一片混乱，各大厂商都有各自的3D技术标准，而且 互不兼容，硬件显示芯片更新的也越来越快。那时候的游戏制作 商也很头痛，为了顾全大局，他们要顾及不同显示芯片厂商的标 准，为了达到更好的效果，一个游戏往往要做出支持不同显示卡 的主程序，这就是API(ApplicationProgr眦miIlgInterface，应 用程序编程接口)用于图形图像编程的原因，目前应用的主流图 形API主要有openGL和DirectX。 3、当前的图形API的优点与缺陷 3．1openGL OpenGL的定义是一个硬件图形的软件接口，更直接的解 释是一个非常便利和快速的3D图形库和类库[3]。 这是一个新兴的产业标准，将会在未来几年获得巨大的支 持．它起源于IRISGL，是3DAPI公司的mIs图形工作站。这 些设备专门从事硬件实时显示。IRIs硬件从事硬件矩阵转换， 硬件景深缓冲还有其它功能。 OpenGL是在SiliconGraphic将ⅡusGL应用在其他硬件 平台是产生的．openGL实际上是mIsGL的改进，它和IRIs GL有相同便利的功能但是它具有与其它硬件平台及系统相容 的特性。OpenGL很像是C的一个类库，目的是专门用来绘制和 操控3D图形。 由于它的高效性，OpenGL在很多领域应用广泛。如：CAD， 建筑，建模与动画。而且由于硬件加速器以及快速的处理器而成 为必选，3D图形将会成为典型消费和商业应用的的基础产业。 拿QuattroPro作为例子，一个利用3D技术在2D中加强3D制 图的先驱，0penGL将会在以后的产品中加入更多令人高兴的 新特性，因为这些新特性会大派用场． 为了保证某些特殊的设备与openGL的兼容性，它必须接 受OpenGL的一致性测试．这些测试是为了保证3D渲染的全 面执行和成品的合理性而进行的． 万方数据 科技信息 计算机与网络 顶点连接 ■ 点和光线openGL 命令 点转换 光栅器 主缓冲区 缓冲区 图3OpenGL的API响应过程 当一个0penGL的API响应时(如图3所示)[‘]，命令就会 被传到一个命令缓冲单元中，顶点连接和纹理数据就会在同一 个缓冲中．当缓冲满时，缓冲里的内容就会通过通道被传送到下 一个单元。 顶点连接点和光线点转换将被重新计算坐标和方向，通过 光线点计算去给顶点连接点的阴影和色彩部分的渲染。顶点连 接点和光线点执行完毕之后，数据将通过通道传送到光栅部分。 光栅器实际上产生一个2尺寸单位的几何纹理图像，这些图像 最终在显示卡显示内存中的(可以在屏幕上看到这个点的图像) 主缓冲中结束。 最初的3D加速器比光栅的速度慢多了．只有通道上光栅 的位置是加速的．CPU必须进行测试，这意味着应用这种3D图 形加速器执行速度将会大大的滞后于处理器的执行速度． 3．2DirectX DirectX是一个由微软公司开发的多媒体开发库，它是免费 使用的．可以在微软的官方网站上下载[2]。 DirectXsDK包含构造Directx的类库，包括[6]： Direct√knimation DirectDraw可以有效地访问视频内存单元，可以使游戏中 的动画更逼真。 Direct3D利用最新的加速器提供3D场景的高渲染率。 Di托ctS∞nd提供声音的播放和混音包括3D音响效果。 Di弛ctMusic可以使音乐有交互性并通过声音链可以改变 状态。 Directhlput可以通过键盘、鼠标和其他输入设备输入数 据． DirectPlay可以直接通过调制解调器或电缆(无调制解调 器的设备)和互联网或局域网进行通信。 微软想建立一个标准的软件接口，可以通过此接口与硬件 连接。Directx做为一个多媒体应用接口的最大优点就是跟随微 软Windows这一主流家庭电脑操作系统的更新而发展。目前的 最新版本是Directxlo。 Direct3D首先由英国的RellderMorpK∞的公司开发的。后 来受到微软D3D的认可。D3D目前是Directx库中的一部分。 Di托ct3D中的数可以与OpenGL兼容，目的是提供一个统一 的访问不同硬件的协议。Direct3D可以在两种形态下执行。 HAL(硬件概念层)和胍L(硬件仿真层)。 执行缓 ——◆ 灯光转 —斗 光栅器 ——◆ Direc 冲区 换 Draw Direct3D的。执行缓冲区”与openGL的。命令缓冲区q乍常 相似。这个缓冲区包括命令执行的几何信息。与OpenGL不同 的是执行缓冲区在工作时显得非常冗余。为了建立多媒体数据 结构必须进行分配、锁定、填充． 最后一个组件是DirectDraw实际上是主缓冲区。Direct3D 的其它缺点就是只支持三角形模型，而openGL可以支持不同 的有凹凸的而无交叉的多边形模型。 4、结束语 在这篇文章中，首先回顾了一下3D游戏加速技术的发展 历史，接着介绍了当前计算机图形学和3D游戏加速技术发展 的主要情况，着重介绍了0penGL和DirectX。当前还有许多技 术问题需要解决，比如，缺少自定义的图形引擎。显示和执行相 应的算法构造合理的3D场景和模型，这需要用图形引擎建立 更好的纹理管理使其更加灵活易用。纹理的建立需要用到模型 输入器[5]，所以纹理数据库要有一定的智能性来防止纹理在复 制时加载相同的纹理贴囹．一个模型输入器支持多纹理以及动 匠人物的变形也是必须的．空间失真t由于光栅显示器的使用在 实时场景中引入了人为的失真，当前图形卡中采用了强制性的 超级采样似乎使问题得到了解决，但是在程序执行方面仍 有不足，硬件滤波无法由程序员自定义。渲染深度不够。当前硬 件有能力在图像中加入雾化效果以减少图像的深度混乱，但是 在一个小区域中比如一间卧室加入雾化效果会时图像看起来失 真，这就需要其它方法例如景深来解决． 参考文献 [1][美]JimAd啪s，刘刚．Directx高鼓动画制作．2005． [2]尚晶晶．Direct3D游戏开发技术详解[M]．北京：人民邮 电出版社．2006． [3]尚游，陈岩，等编著．openGL图形程序设计指南[M]． 北京：中国水利水电出版社，2001． [4]白建军，朱亚军，梁辉等．OpenGL三维图形设计与制作 [M]，北京；人民邮电出版社，1999． [5]黄海．计算机图形纹理粘贴技术研究．电光与控制，1999 (1)：12～18 [6]武永康．Direct3D原理与API参考[M]．北京。清华大 学出版社，2001． [7]CodeGⅢm，httpl／／www．codeguru．∞m． [8]Emr蛆R，M∞g锄eryS．&Werfall．Pixelperfect— gnphi∞c盯d托viewD]．PerBoII丑lComputerWbrld，Oct．2000， 195—213． [9]M∞tpmeryS．GraphicsC盯ds[刀．PclⅣ．2001Sept． 187—199． [10]Wenet．crMt吣AnimatedBehaviou“Gamechmc— ter8buedonEnvi咖加entalEffect8．ProcGAME—oN[J]． 2000pp76—80． 一203— 万方数据 3D游戏加速技术回顾及发展现状 作者： 黄旭， 巩秀钢 作者单位： 山东理工大学计算机科学与技术学院 刊名： 科技信息（学术版） 英文刊名： SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： 2007(22) 参考文献(10条) 1.Jim Adams;刘刚 DirectX高级动画制作 2005 2.尚晶晶 Direct3D游戏开发技术详解 2006 3.尚游;陈岩 OpenGL图形程序设计指南 2001 4.白建军;朱亚军;梁辉 OpenGL三维图形设计与制作 1999 5.黄海 计算机图形纹理粘贴技术研究 1999(01) 6.武永康 Direct3D原理与API参考 2001 7.查看详情 8.Emeran R;Mongomery S;Werfall Pixel perfectgraphics card review 2000 9.Montgomery S Graphics Cards 2001 10.Wenet Creating Animated Behavioural Game Characters based on Environmental Effects 2000 本文读者也读过(10条) 1. 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