基于Vulkan三維渲染引擎的設計和實現(xiàn)
發(fā)布時間：2021-08-07 00:11
21世紀以來,計算機圖形學得到迅猛發(fā)展,從固定管線時代演變到可編程管線時代�？删幊坦芫�給圖形學帶來了巨大的變化,它能不斷提高圖形的渲染畫質,但同時也增加了圖形程序開發(fā)的復雜度。圖形程序開發(fā)涉及到很多底層技術的應用,但是對于很多開發(fā)者來說,只需關注應用層的相關技術,并不需要關注底層技術,因此就需要一個工具集來封裝這些底層技術。三維渲染引擎封裝跨平臺、圖像渲染、內存管理、資源管理等相關技術,提供給開發(fā)者簡單易用的接口來開發(fā)圖形程序,大大地提高了開發(fā)者的工作效率。本文通過對新型圖形開發(fā)庫Vulkan進行研究,分析Vulkan的工作流程和接口設計,同時對一些主流的三維渲染引擎架構和模塊進行分析,設計和開發(fā)一套適合本引擎的架構。在引擎架構的基礎上,集成了目前比較先進的渲染算法。本文設計的三維渲染引擎按照不同的功能劃分為多個模塊,主要有ECS模塊、渲染模塊、內存管理模塊、場景管理模塊和資源管理模塊等,并對其一一進行設計和實現(xiàn)。本引擎使用了最新的工業(yè)標準Vulkan作為底層圖形API,Vulkan作為新型的圖形API優(yōu)化了CPU上操作圖形驅動的性能,并且容易支持多線程,對此本引擎使用了多線程模型,充...
【文章來源】：北京林業(yè)大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
渲染管線
基于Vulkan三維渲染引擎的設計和實現(xiàn)6圖中每個矩形框都是渲染管線需要執(zhí)行的步驟，其中紅色矩形框表示可編程管線，可編程是指開發(fā)者可以編寫程序來控制這個階段（李貝貝，2017），綠色矩形框表示固定管線，開發(fā)者不能夠對其編程，只能夠設置一些參數(shù)，下面對渲染管線中幾個主要流程進行介紹。2.2.1頂點著色器渲染管線的第一部分為頂點著色器，這個階段處理從應用程序發(fā)送過來的模型數(shù)據(jù)，模型數(shù)據(jù)可能包含頂點坐標，法向量，紋理坐標等信息。由于數(shù)據(jù)剛開始是位于不同的空間下，不能直接被渲染管線所使用，需要頂點著色器對數(shù)據(jù)進行相應的空間變換，變換之后才能夠被后續(xù)的渲染流程所使用�？臻g變換具體分為三個步驟。（1）世界空間變換：最初所有的模型數(shù)據(jù)都位于各自模型空間下，為了能夠統(tǒng)一處理，需要對數(shù)據(jù)執(zhí)行空間變換，轉化到統(tǒng)一的世界空間，把相對于模型空間的數(shù)據(jù)轉變?yōu)橄鄬τ谑澜缈臻g的數(shù)據(jù)。圖2.2展示就是世界空間變換。圖2.2世界空間變換Figure2.2Worldspacetransformation（2）視角空間變換：位于世界空間下的模型，想要渲染到屏幕上，就需要被攝像機所看見。攝像機最初也是位于世界空間下，它有一個位置和朝向，為了方便后續(xù)對模型進行投影和裁剪，需要對攝像機和模型進行一次空間轉化，目的是將攝像機放置到原點的位置上，同時使得攝像機的朝向為負Z軸，其上邊為Y軸，右邊為X軸。本次轉化稱為視角空間變換，轉化后的空間叫視角空間。圖2.3展示的就是視角空間變換。圖2.3視角空間變換Figure2.3Viewspacetransformation
基于Vulkan三維渲染引擎的設計和實現(xiàn)6圖中每個矩形框都是渲染管線需要執(zhí)行的步驟，其中紅色矩形框表示可編程管線，可編程是指開發(fā)者可以編寫程序來控制這個階段（李貝貝，2017），綠色矩形框表示固定管線，開發(fā)者不能夠對其編程，只能夠設置一些參數(shù)，下面對渲染管線中幾個主要流程進行介紹。2.2.1頂點著色器渲染管線的第一部分為頂點著色器，這個階段處理從應用程序發(fā)送過來的模型數(shù)據(jù)，模型數(shù)據(jù)可能包含頂點坐標，法向量，紋理坐標等信息。由于數(shù)據(jù)剛開始是位于不同的空間下，不能直接被渲染管線所使用，需要頂點著色器對數(shù)據(jù)進行相應的空間變換，變換之后才能夠被后續(xù)的渲染流程所使用�？臻g變換具體分為三個步驟。（1）世界空間變換：最初所有的模型數(shù)據(jù)都位于各自模型空間下，為了能夠統(tǒng)一處理，需要對數(shù)據(jù)執(zhí)行空間變換，轉化到統(tǒng)一的世界空間，把相對于模型空間的數(shù)據(jù)轉變?yōu)橄鄬τ谑澜缈臻g的數(shù)據(jù)。圖2.2展示就是世界空間變換。圖2.2世界空間變換Figure2.2Worldspacetransformation（2）視角空間變換：位于世界空間下的模型，想要渲染到屏幕上，就需要被攝像機所看見。攝像機最初也是位于世界空間下，它有一個位置和朝向，為了方便后續(xù)對模型進行投影和裁剪，需要對攝像機和模型進行一次空間轉化，目的是將攝像機放置到原點的位置上，同時使得攝像機的朝向為負Z軸，其上邊為Y軸，右邊為X軸。本次轉化稱為視角空間變換，轉化后的空間叫視角空間。圖2.3展示的就是視角空間變換。圖2.3視角空間變換Figure2.3Viewspacetransformation
本文編號：3326758
【文章來源】：北京林業(yè)大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
渲染管線
基于Vulkan三維渲染引擎的設計和實現(xiàn)6圖中每個矩形框都是渲染管線需要執(zhí)行的步驟，其中紅色矩形框表示可編程管線，可編程是指開發(fā)者可以編寫程序來控制這個階段（李貝貝，2017），綠色矩形框表示固定管線，開發(fā)者不能夠對其編程，只能夠設置一些參數(shù)，下面對渲染管線中幾個主要流程進行介紹。2.2.1頂點著色器渲染管線的第一部分為頂點著色器，這個階段處理從應用程序發(fā)送過來的模型數(shù)據(jù)，模型數(shù)據(jù)可能包含頂點坐標，法向量，紋理坐標等信息。由于數(shù)據(jù)剛開始是位于不同的空間下，不能直接被渲染管線所使用，需要頂點著色器對數(shù)據(jù)進行相應的空間變換，變換之后才能夠被后續(xù)的渲染流程所使用�？臻g變換具體分為三個步驟。（1）世界空間變換：最初所有的模型數(shù)據(jù)都位于各自模型空間下，為了能夠統(tǒng)一處理，需要對數(shù)據(jù)執(zhí)行空間變換，轉化到統(tǒng)一的世界空間，把相對于模型空間的數(shù)據(jù)轉變?yōu)橄鄬τ谑澜缈臻g的數(shù)據(jù)。圖2.2展示就是世界空間變換。圖2.2世界空間變換Figure2.2Worldspacetransformation（2）視角空間變換：位于世界空間下的模型，想要渲染到屏幕上，就需要被攝像機所看見。攝像機最初也是位于世界空間下，它有一個位置和朝向，為了方便后續(xù)對模型進行投影和裁剪，需要對攝像機和模型進行一次空間轉化，目的是將攝像機放置到原點的位置上，同時使得攝像機的朝向為負Z軸，其上邊為Y軸，右邊為X軸。本次轉化稱為視角空間變換，轉化后的空間叫視角空間。圖2.3展示的就是視角空間變換。圖2.3視角空間變換Figure2.3Viewspacetransformation
基于Vulkan三維渲染引擎的設計和實現(xiàn)6圖中每個矩形框都是渲染管線需要執(zhí)行的步驟，其中紅色矩形框表示可編程管線，可編程是指開發(fā)者可以編寫程序來控制這個階段（李貝貝，2017），綠色矩形框表示固定管線，開發(fā)者不能夠對其編程，只能夠設置一些參數(shù)，下面對渲染管線中幾個主要流程進行介紹。2.2.1頂點著色器渲染管線的第一部分為頂點著色器，這個階段處理從應用程序發(fā)送過來的模型數(shù)據(jù)，模型數(shù)據(jù)可能包含頂點坐標，法向量，紋理坐標等信息。由于數(shù)據(jù)剛開始是位于不同的空間下，不能直接被渲染管線所使用，需要頂點著色器對數(shù)據(jù)進行相應的空間變換，變換之后才能夠被后續(xù)的渲染流程所使用�？臻g變換具體分為三個步驟。（1）世界空間變換：最初所有的模型數(shù)據(jù)都位于各自模型空間下，為了能夠統(tǒng)一處理，需要對數(shù)據(jù)執(zhí)行空間變換，轉化到統(tǒng)一的世界空間，把相對于模型空間的數(shù)據(jù)轉變?yōu)橄鄬τ谑澜缈臻g的數(shù)據(jù)。圖2.2展示就是世界空間變換。圖2.2世界空間變換Figure2.2Worldspacetransformation（2）視角空間變換：位于世界空間下的模型，想要渲染到屏幕上，就需要被攝像機所看見。攝像機最初也是位于世界空間下，它有一個位置和朝向，為了方便后續(xù)對模型進行投影和裁剪，需要對攝像機和模型進行一次空間轉化，目的是將攝像機放置到原點的位置上，同時使得攝像機的朝向為負Z軸，其上邊為Y軸，右邊為X軸。本次轉化稱為視角空間變換，轉化后的空間叫視角空間。圖2.3展示的就是視角空間變換。圖2.3視角空間變換Figure2.3Viewspacetransformation
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