基于三维虚拟场景的渲染装置和方法与流程

1.本发明涉及三维渲染技术领域，具体为基于三维虚拟场景的渲染装置和方法。


背景技术：

2.渲染器是三维引擎的核心部分，是高级全局照明渲染插件，它完成将三维物体绘制到屏幕上的任务，渲染器主要分为硬件渲染器和软件渲染器。然而，常规的渲染装置大多只进行顶点着色和片段着色，细化程度不足，渲染分辨率低，且无法根据模型数据的实时变动进行自动更新，渲染的及时性较差，存在滞后，渲染延迟高，同时渲染方式单一，渲染效果有限，难以满足不同的渲染需求，用户体验差。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供基于三维虚拟场景的渲染装置和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于三维虚拟场景的渲染装置，包括场景加载器、场景绘制器、场景着色器和渲染处理器，所述场景加载器的输入端连接有建模设备的输出端，场景加载器的输出端连接有场景绘制器的输入端，场景绘制器的输出端连接有场景着色器的输入端，场景着色器的输出端连接有渲染处理器的输入端，渲染处理器的输出端连接有显示设备的输入端。
5.优选的，所述场景加载器由三维模型参数加载单元、三维模型材质加载单元、三维模型纹理加载单元、三维模型法线加载单元和三维模型自动更新单元组成，三维模型参数加载单元、三维模型材质加载单元、三维模型纹理加载单元和三维模型法线加载单元的输入端均连接有建模设备的输出端。
6.优选的，所述三维模型参数加载单元、三维模型材质加载单元、三维模型纹理加载单元和三维模型法线加载单元的输出端均连接有三维模型自动更新单元的输入端，三维模型自动更新单元的输出端连接有场景绘制器的输入端。
7.优选的，所述场景绘制器由场景渲染框架构建单元、粗粒度数据剔除单元、场景渲染图元设置单元和场景渲染图元绘制单元组成，场景渲染框架构建单元的输入端连接有三维模型自动更新单元的输出端，场景渲染框架构建单元的输出端连接有粗粒度数据剔除单元的输入端。
8.优选的，所述粗粒度数据剔除单元的输出端连接有场景渲染图元设置单元的输入端，场景渲染图元设置单元的输出端连接有场景渲染图元绘制单元的输入端，场景渲染图元绘制单元的输出端连接有场景着色器的输入端。
9.优选的，所述场景着色器由场景渲染顶点着色单元、顶点着色图元组装单元、场景渲染片段着色单元、片段着色图元组装单元、场景渲染几何着色单元、几何着色图元组装单元、场景渲染曲面着色单元和曲面着色图元组装单元组成，场景渲染顶点着色单元的输入端连接有场景渲染图元绘制单元的输出端，场景渲染顶点着色单元的输出端连接有顶点着
色图元组装单元的输入端，顶点着色图元组装单元的输出端连接有场景渲染片段着色单元的输入端。
10.优选的，所述场景渲染片段着色单元的输出端连接有片段着色图元组装单元的输入端，片段着色图元组装单元的输出端连接有场景渲染几何着色单元的输入端，场景渲染几何着色单元的输出端连接有几何着色图元组装单元的输入端，几何着色图元组装单元的输出端连接有场景渲染曲面着色单元的输入端，场景渲染曲面着色单元的输出端连接有曲面着色图元组装单元的输入端，曲面着色图元组装单元的输出端连接有渲染处理器的输入端。
11.优选的，所述渲染处理器由光栅化渲染单元、光线追踪渲染单元、阴影捕捉渲染单元、法线可视化渲染单元和三维虚拟场景输出单元组成，光栅化渲染单元的输入端连接有曲面着色图元组装单元的输出端，光栅化渲染单元的输出端连接有光线追踪渲染单元的输入端，光线追踪渲染单元的输出端连接有阴影捕捉渲染单元的输入端，阴影捕捉渲染单元的输出端连接有法线可视化渲染单元的输入端，法线可视化渲染单元的输出端连接有三维虚拟场景输出单元的输入端，三维虚拟场景输出单元的输出端连接有显示设备的输入端。
12.基于三维虚拟场景的渲染方法，包括以下步骤：步骤一，模型加载；步骤二，框架绘制；步骤三，图元着色；步骤四，混合渲染；
13.其中上述步骤一中，通过三维模型参数加载单元、三维模型材质加载单元、三维模型纹理加载单元和三维模型法线加载单元从建模设备上加载三维虚拟场景中所有模型的尺寸参数、颜色材质、纹理坐标和光照法线，再通过三维模型自动更新单元对三维虚拟场景的模型进行数据更新；
14.其中上述步骤二中，通过场景渲染框架构建单元构建三维虚拟场景中所有模型的渲染框架，并通过粗粒度数据剔除单元剔除视锥体、遮挡面等不可见数据，再通过场景渲染图元设置单元设置三维虚拟场景中所有模型的渲染状态，确定渲染输出所需的几何信息，即渲染图元，并通过场景渲染图元绘制单元根据渲染图元绘制出三维虚拟场景中所有模型的图元几何分布；
15.其中上述步骤三中，通过场景渲染顶点着色单元读取顶点数据将对应颜色填充到顶点图元上，并通过顶点着色图元组装单元对着色后的顶点图元进行组装，再通过场景渲染片段着色单元读取片段数据将对应颜色填充到片段图元上，接着通过场景渲染几何着色单元读取几何面数据将对应颜色填充到几何面图元上，并通过几何着色图元组装单元对着色后的几何面图元进行组装，再通过场景渲染曲面着色单元读取曲面数据将对应颜色填充到曲面图元上，并通过曲面着色图元组装单元对着色后的曲面图元进行组装；
16.其中上述步骤四中，通过光栅化渲染单元进行光栅化处理，并通过光线追踪渲染单元进行光线追踪处理，再通过阴影捕捉渲染单元进行阴影捕捉处理，并通过法线可视化渲染单元选择是否进行法线可视化处理，接着通过三维虚拟场景输出单元将渲染好的三维虚拟场景输出到显示设备中。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：该基于三维虚拟场景的渲染装置及方法，在顶点着色和片段着色的基础上增加几何着色和曲面着色，从而提高了着色的细化程度，渲染分辨率高；能根据模型数据的实时变动进行自动更新，渲染的及时性强，无滞后，渲染延迟低；采用混合渲染方式，渲染效果多样，满足了不同的渲染需求，用户体验好。
附图说明
18.图1为本发明的整体构架图；
19.图2为本发明的工作流程图；
20.图3为本发明的方法流程图；
21.图中：1、场景加载器；11、三维模型参数加载单元；12、三维模型材质加载单元；13、三维模型纹理加载单元；14、三维模型法线加载单元；15、三维模型自动更新单元；2、场景绘制器；21、场景渲染框架构建单元；22、粗粒度数据剔除单元；23、场景渲染图元设置单元；24、场景渲染图元绘制单元；3、场景着色器；31、场景渲染顶点着色单元；32、顶点着色图元组装单元；33、场景渲染片段着色单元；34、片段着色图元组装单元；35、场景渲染几何着色单元；36、几何着色图元组装单元；37、场景渲染曲面着色单元；38、曲面着色图元组装单元；4、渲染处理器；41、光栅化渲染单元；42、光线追踪渲染单元；43、阴影捕捉渲染单元；44、法线可视化渲染单元；45、三维虚拟场景输出单元。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.请参阅图1-2，本发明提供的一种实施例：基于三维虚拟场景的渲染装置，包括场景加载器1、场景绘制器2、场景着色器3和渲染处理器4，场景加载器1的输入端连接有建模设备的输出端，场景加载器1的输出端连接有场景绘制器2的输入端，场景绘制器2的输出端连接有场景着色器3的输入端，场景着色器3的输出端连接有渲染处理器4的输入端，渲染处理器4的输出端连接有显示设备的输入端，场景加载器1由三维模型参数加载单元11、三维模型材质加载单元12、三维模型纹理加载单元13、三维模型法线加载单元14和三维模型自动更新单元15组成，三维模型参数加载单元11、三维模型材质加载单元12、三维模型纹理加载单元13和三维模型法线加载单元14的输入端均连接有建模设备的输出端，三维模型参数加载单元11、三维模型材质加载单元12、三维模型纹理加载单元13和三维模型法线加载单元14的输出端均连接有三维模型自动更新单元15的输入端，三维模型自动更新单元15的输出端连接有场景绘制器2的输入端，场景绘制器2由场景渲染框架构建单元21、粗粒度数据剔除单元22、场景渲染图元设置单元23和场景渲染图元绘制单元24组成，场景渲染框架构建单元21的输入端连接有三维模型自动更新单元15的输出端，场景渲染框架构建单元21的输出端连接有粗粒度数据剔除单元22的输入端，粗粒度数据剔除单元22的输出端连接有场景渲染图元设置单元23的输入端，场景渲染图元设置单元23的输出端连接有场景渲染图元绘制单元24的输入端，场景渲染图元绘制单元24的输出端连接有场景着色器3的输入端，场景着色器3由场景渲染顶点着色单元31、顶点着色图元组装单元32、场景渲染片段着色单元33、片段着色图元组装单元34、场景渲染几何着色单元35、几何着色图元组装单元36、场景渲染曲面着色单元37和曲面着色图元组装单元38组成，场景渲染顶点着色单元31的输入端连接有场景渲染图元绘制单元24的输出端，场景渲染顶点着色单元31的输出端连接有顶点着色图元组装单元32的输入端，顶点着色图元组装单元32的输出端连接有场景渲染片段着
色单元33的输入端，场景渲染片段着色单元33的输出端连接有片段着色图元组装单元34的输入端，片段着色图元组装单元34的输出端连接有场景渲染几何着色单元35的输入端，场景渲染几何着色单元35的输出端连接有几何着色图元组装单元36的输入端，几何着色图元组装单元36的输出端连接有场景渲染曲面着色单元37的输入端，场景渲染曲面着色单元37的输出端连接有曲面着色图元组装单元38的输入端，曲面着色图元组装单元38的输出端连接有渲染处理器4的输入端，渲染处理器4由光栅化渲染单元41、光线追踪渲染单元42、阴影捕捉渲染单元43、法线可视化渲染单元44和三维虚拟场景输出单元45组成，光栅化渲染单元41的输入端连接有曲面着色图元组装单元38的输出端，光栅化渲染单元41的输出端连接有光线追踪渲染单元42的输入端，光线追踪渲染单元42的输出端连接有阴影捕捉渲染单元43的输入端，阴影捕捉渲染单元43的输出端连接有法线可视化渲染单元44的输入端，法线可视化渲染单元44的输出端连接有三维虚拟场景输出单元45的输入端，三维虚拟场景输出单元45的输出端连接有显示设备的输入端。
24.请参阅图3，本发明提供的一种实施例：基于三维虚拟场景的渲染方法，包括以下步骤：步骤一，模型加载；步骤二，框架绘制；步骤三，图元着色；步骤四，混合渲染；
25.其中上述步骤一中，通过三维模型参数加载单元11、三维模型材质加载单元12、三维模型纹理加载单元13和三维模型法线加载单元14从建模设备上加载三维虚拟场景中所有模型的尺寸参数、颜色材质、纹理坐标和光照法线，再通过三维模型自动更新单元15对三维虚拟场景的模型进行数据更新；
26.其中上述步骤二中，通过场景渲染框架构建单元21构建三维虚拟场景中所有模型的渲染框架，并通过粗粒度数据剔除单元22剔除视锥体、遮挡面等不可见数据，再通过场景渲染图元设置单元23设置三维虚拟场景中所有模型的渲染状态，确定渲染输出所需的几何信息，即渲染图元，并通过场景渲染图元绘制单元24根据渲染图元绘制出三维虚拟场景中所有模型的图元几何分布；
27.其中上述步骤三中，通过场景渲染顶点着色单元31读取顶点数据将对应颜色填充到顶点图元上，并通过顶点着色图元组装单元32对着色后的顶点图元进行组装，再通过场景渲染片段着色单元33读取片段数据将对应颜色填充到片段图元上，接着通过场景渲染几何着色单元35读取几何面数据将对应颜色填充到几何面图元上，并通过几何着色图元组装单元36对着色后的几何面图元进行组装，再通过场景渲染曲面着色单元37读取曲面数据将对应颜色填充到曲面图元上，并通过曲面着色图元组装单元38对着色后的曲面图元进行组装；
28.其中上述步骤四中，通过光栅化渲染单元41进行光栅化处理，并通过光线追踪渲染单元42进行光线追踪处理，再通过阴影捕捉渲染单元43进行阴影捕捉处理，并通过法线可视化渲染单元44选择是否进行法线可视化处理，接着通过三维虚拟场景输出单元45将渲染好的三维虚拟场景输出到显示设备中。
29.工作原理：该发明使用时，先通过三维模型参数加载单元11、三维模型材质加载单元12、三维模型纹理加载单元13和三维模型法线加载单元14从建模设备上加载三维虚拟场景中所有模型的尺寸参数、颜色材质、纹理坐标和光照法线，再通过三维模型自动更新单元15对三维虚拟场景的模型进行数据更新，能根据模型数据的实时变动进行自动更新，渲染的及时性强，无滞后，渲染延迟低；接着通过场景渲染框架构建单元21构建三维虚拟场景中
所有模型的渲染框架，并通过粗粒度数据剔除单元22剔除视锥体、遮挡面等不可见数据，再通过场景渲染图元设置单元23设置三维虚拟场景中所有模型的渲染状态，确定渲染输出所需的几何信息，即渲染图元，并通过场景渲染图元绘制单元24根据渲染图元绘制出三维虚拟场景中所有模型的图元几何分布，在顶点着色和片段着色的基础上增加几何着色和曲面着色，从而提高了着色的细化程度，渲染分辨率高；然后通过场景渲染顶点着色单元31读取顶点数据将对应颜色填充到顶点图元上，并通过顶点着色图元组装单元32对着色后的顶点图元进行组装，再通过场景渲染片段着色单元33读取片段数据将对应颜色填充到片段图元上，另外通过场景渲染几何着色单元35读取几何面数据将对应颜色填充到几何面图元上，并通过几何着色图元组装单元36对着色后的几何面图元进行组装，再通过场景渲染曲面着色单元37读取曲面数据将对应颜色填充到曲面图元上，并通过曲面着色图元组装单元38对着色后的曲面图元进行组装，最后通过光栅化渲染单元41进行光栅化处理，并通过光线追踪渲染单元42进行光线追踪处理，再通过阴影捕捉渲染单元43进行阴影捕捉处理，并通过法线可视化渲染单元44选择是否进行法线可视化处理，接着通过三维虚拟场景输出单元45将渲染好的三维虚拟场景输出到显示设备中，采用混合渲染方式，渲染效果多样，满足了不同的渲染需求，用户体验好。
30.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。