圖形引擎

引擎

引擎，是借用機器工業的同名術語，表明在整個系統中的核心地位。也可以稱之為“支持應用的底層函數庫”或者説是對特定應用的一種抽象。

產生背景

隨着科學技術的發展和社會生產力的提高，虛擬仿真技術得到人們的日益重視，並逐漸成為一個新的科學技術領域。虛擬仿真系統大多以圖形引擎為基礎，再封裝構建上層應用系統。圖形引擎中比較出色的有OGRE、OpenGVS、Vtree、OSG等。 ^[1]  而視頻壓縮技術的進步以及數字電視技術的成熟，使各種視頻解碼或處理芯片大量湧現，如MPEG-2 解碼 H.264 解碼等然而要使應用芯片的產品能具有良好的人機交互界面，就需要圖形引擎的支持。

三維圖形引擎

由於三維圖形涉及到許多算法和專業知識，要快速的開發三維應用程序是有一定困難的。當前在微機上編寫三維圖形應用一般使用OpenGL或DirectX，雖然OpenGL或DirectX在三維真實感圖形制作中具有許多優秀的性能，但是在系統開發中直接使用它們仍存在一些缺點：1、都是非面向對象的，設計場景和操作場景中的對象比較困難。2、主要使用基層圖元，在顯示比較複雜的場景時編寫程序相對困難。3、沒有與建模工具很好的結合。4、缺乏對一些十分重要的關鍵技術如LOD(Level of Detail)、動態裁剪等的支持。基於以上情況，應用程序開發人員非常需要一個封裝了硬件操作和圖形算法、簡單易用、功能豐富的三維圖形開發環境，這個環境可以稱作三維圖形引擎。

OGRE是用C++開發的面向對象且使用靈活的3D圖形引擎，對底層Direct3D和OpenGL系統庫的全部使用細節進行了抽象，並提供了基於現實世界對象的接口，使用少量代碼就能構建一個完整的三維場景，使開發人員更方便、更直接地開發基於三維硬件設備的應用程序。

OGRE引擎採用可擴展的程序框架，擁有高效率和高度可配置的資源管理器，支持多種場景類型，支持高效的插件體系結構，採用高效的網格資料格式儲存模型數據，並且具有清晰、整潔的設計以及全面的文檔支持。而且OGRE是一款開源引擎，更新迅速，功能日益強大，採用MIT授權，使用時不會產生授權費用，OGRE引擎在涉及到三維圖形繪製的仿真、遊戲等方面有着極為廣泛的應用前景。

OGRE引擎的場景管理結構如圖1所示。

根節點(Root)是整個三維場景的入口點，用於配置系統內的其它對象，必須最先創建和最後釋放。渲染系統(Render System)設置場景的渲染屬性並執行渲染操作。場景管理器(Scene Manager)負責組織場景，生成並管理燈光、攝像機、場景節點、實體、材料等元素。燈光(Light)為場景提供照明，有點光源、聚光源和有向光源三種類型。攝像機(Camera)用來觀察所創建的場景，通過視口可將渲染後場景輸出到屏幕。實體(Entity)為場景中的幾何體，一般通過網格(Mesh)創建。材質(Material)為場景中幾何體的表面屬性，支持從多種格式的圖片文件加載紋理(Texture)，並可擁有足夠多的紋理層，每層紋理支持各種渲染特效，支持動畫紋理。場景管理器通過場景節點(Scene Node)來確定實體、攝像機、燈光等元素的位置和方向。OGRE場景組織原理是將場景劃分成抽象的多個空間，這些空間還可以劃分成多個子空間，每個空問由一個場景節點來管理，實體、燈光等場景元素本身並不負責與空間位置相關的行為，全部交給場景節點來做。OGRE將大量場景節點按照空間的劃分層次組織成樹狀結構，從而完成對整個場景的有序組織。

圖2 OGRE應用程序主程序偽代碼(2張)

在利用OGRE引擎創建三維圖形系統時，首先需要創建根節點，然後對系統進行初始化並創建場景，之後處理輸入響應，進行幀循環更新圖形。主程序可見圖2所示，其中幀循環更新圖形一般由OGRE引擎自動完成，開發人員需要處理主要有創建場景和處理輸入響應兩部分。 ^[1] 

整體設計

HDTV SoC 圖形引擎主要由兩部分構成 一是BLT Biitter 模塊 主要完成對圖形進行的各種編輯操作，另一塊是圖形顯示模塊GDU（ Graphic Dis-pIay Unit）,主要完成三路圖形層顯示前的處理及混合 操作的指令和地址由Host IF 相關的寄存器提供,操作數據從系統總線讀入,BLT 根據寄存器提供的地址讀取SDRAM 指定位置的圖形, 進行操作然後寫至目標地址 GDU 根據三層圖形的目標地址分別讀取三層圖形,進行放大處理或直接與視頻層混合輸出。圖形引擎的整體結構如圖3所示。 ^[2] 

BLT 設計

BLT 是圖形引擎的核心處理模塊, 由它提供的邏輯操作、矩形剪切、色鍵(COIOF Key)、固定顏色填充、單圖源複製、雙圖源操作、α混合,加上GDU 中的2 倍圖形放大操作,使得圖形引擎功能強大。

BLT 處理的圖形源l1和2 的數據可以是8 Dpp,16Dpp,32 Dpp 的RGB 格式或32 Dpp 的YCDCF 格式, 這時需要進行CLUT 擴展或者YCDCF 到RGB的色度空間轉換(COIOF Space COnveFsiOn,CSC)統一到32 Dpp 的RGB 格式進行處理 BLT 可以對兩幅圖形進行操作, 也可以僅對一幅圖形進行操作算術邏輯運算單元(ALU)可以對兩幅圖源的對應像素進行與、或、非、異或等16種布爾運算(BOOIeanOpeFatiOn),也可以對它們進行α混合,使兩幅圖形產生相互覆蓋或者半透明浮現等效果 COIOF Key 功能模塊可以用來對圖形中特定顏色值範圍的像素進行選擇性操作,比如對! 分量大於R_min並且小於R_max的像素進行提取或者替換, 這種操作對於根據色度特徵提取圖形中的特定對象非常有效。矩形剪切模塊對於圖形中的任意矩形區域(或者反向區域)進行選擇,並對選中區域中的像素提供寫使能信號 值得注意的是矩形操作也可以退化為對點和直線的操作,方便地滿足了對二維圖形任意像素點集的處理 顏色填充模塊在其使能的情況下,顏色填充模塊代替圖源2 產生連續固定的顏色值,對COIOF Key 或者矩形剪切選擇的區域(或反向區域)進行單色填充。 ^[2] 

GDU 結構

圖形顯示單元（GDU）完成三層圖形層和一層視頻層的疊加輸出, 其中圖形層從內存中取出,視頻層由視頻處理模塊輸入 疊加的順序由下至上依次為:視頻層、圖形層l、圖形層2、圖形層3 視頻層的輸入可以逐行也可以隔行, 格式為YCbCr4：2：2圖形層l1和圖形層2 都具有兩倍放大的功能,最大支持的顯示分辨率為1920*1080。圖形層3 主要用作光標層,分辨率一般為32*32 層之間的混合依舊採用BLT 中使用過的α混合,視頻層先和圖形層1混合,結果再與圖形層2 混合,最後是光標層,也可以產生覆蓋或半透明浮現等不同顯示效果。 ^[2] 

簡介

最能體現三維圖形引擎各方面技術的無疑是遊戲引擎，三維遊戲引擎總是各種最新圖形技術的嘗試者和表現者，總是站在圖形學技術的最高峯，並不斷通過更高的速度、更逼真的效果推動三維技術的發展。下面就簡要介紹一下游戲引擎。

遊戲引擎猶如汽車的引擎，決定着遊戲的速度、真實感、吸引力等，玩家所體驗到的劇情、關卡、美工、音樂、操作等內容都是由遊戲的引擎直接控制的。按照3D引擎所要其有的功能，可以把3D引擎系統劃分為以下個功能模塊：系統模塊、底層渲染模塊、控制枱模塊、數據存儲模塊、遊戲接口模塊與遊戲插件模塊。 ^[3] 

研究意義和應用

遊戲娛樂、軍事、航空航天、地質勘探、實時模擬等方面有着十分廣泛的應用。特別是遊戲娛樂方面已經成為當今三維圖形發展的重要應用領域。2003年，國家863計劃將三維遊戲引擎的研發納入了高技術發展計劃，這使得多年來倍受各界非議的遊戲產業獲得瞭解放，金山公司是承擔此項目的單位，他們已經在三維遊戲方面獲得了較大的進步。每年，遊戲產業帶動服務、互聯網、餐飲等行業獲得巨大的利潤，對國民經濟的發展起到了積極的作用。當前，三維圖形已在計算機輔助設計與製造(CAD/CAM)、動畫影視製作、

三維引擎是虛擬現實技術的基礎，作為虛擬現實技術的一部分，其應用領域主要有如下幾個方面：

①軍事訓練：軍事訓練應用為VR技術提供了最早的市場，主要集中在座艙式虛擬現實模擬器等方面的應用。座艙式虛擬現實模擬器可以是一個宇宙飛船模擬器、飛行模擬器、坦克模擬器、汽車模擬器、氣墊登陸艇模擬器、潛艇模擬器等。將其安裝在室內，用來培訓宇航員、飛行員、坦克手、汽車司機、船員和艇長等。飛行模擬器在室內訓練飛行員，不受外界氣象條件、場地和空域的限制，飛行員和飛機均無風險，可以節約訓練費用。同時，模擬器還可以生成各種險情和設備故障，例如模擬失火、大仰角失速、發動機停轉、與另一飛機擦身而過等，使飛行員得到真實飛行時難以得到的應急訓練。因此，國際航空界已把飛行模擬器作為正式的訓練方法。

②企業生產：虛擬現實在企業生產方面的應用主要體現在四個方面——虛擬生產、產品設計、培訓工人和產品促銷。虛擬生產通過建模和模擬的方法，使方案論證、設計、研製、生產、使用和維護等，都可以在人工合成的環境中進行模擬。這樣可以減少樣機生產數目，縮短設計週期，獲得性能更好的產品，降低成本，提高產品的市場競爭能力。為了滿足用户多樣化的需求，VR提供給用户參與設計的機會。使不懂設計也看不懂圖紙的用户也可以在虛擬的環境感受效果，通過用户的參與，真正體現了用户為上帝的原則，達到用户滿意的效果。Sun維繫統公司實現了可以進行車削加工的虛擬車牀系統，只需使用三維鼠標、頭盔式跟蹤器以及液晶立體顯示器，就可以用來培訓車工。IBM公司為福特公司設計了一種“虛擬現實經驗系統”，讓用户在新型福特汽車中進行虛擬駕駛，對促銷車輛、活躍市場起到了很好的作用。

③科研方面：VR應用於科研，其核心是建立數學模型和科學可視化技術。科學可視化技術將來自數據源的大量數據，按照數據模型轉換成容易理解的三維圖像，且允許研究者在可視場景中有一定的交互。例如，建立虛擬植物模型生成虛擬植物，預測真實植物在不同試驗條件下的生長情況，井以旋轉三維圖像來模擬顯示其結構生長動態，這一過程只需幾秒鐘就可以完成。虛擬植物實驗不需花數月、數年的時間去種植真實植物，科學家可以建立虛擬植物實驗室，創造新的人造植物品種。

④娛樂方面：利用VR技術創造的虛擬環境，可以逼真的模擬“太空旅行”，使人感到身臨其境，具有極強的趣味性、驚險性和知識性。該方面的應用是VR應用最豐富的領域。VR遊戲在室內進行，遊戲內容通過軟件可以無限的變換和翻新。我國於1996年研製成功“虛擬故宮”。將長961米、寬753米的真實故宮建築和景物，變成可以再現的數字化數據輸入電腦，對虛擬故宮賦予了色彩、音響特徵，遊客只需戴上頭盔顯示器，騎上固定的自行車，就可以在故宮中暢遊了。

⑤商業應用

VR技術商業領域最早也是最成功的應用是產品廣告宣傳。VR 廣告比傳統廣告更易於製作和更改，也更具有感染力。由此，許多公司已認識劍到率先使用VR技術使他們的產品領導潮流。已有的一些應用包括：