各种三维质感的实时模拟

在这个计算机图形学技术突飞猛进的时代，三维预渲染已经达到了照片级真实效果，而且渲染速度也越来越快。同时，三维实时渲染的质量也越来越好。很快高质量的三维实时渲染将成为业界的主流。在游戏产业，互动媒体产业，广告产业，实时真实的三维效果将划时代的改变人们的生活。

本文研究的材质模拟是实现真实三维效果的重要环节。除了具备外形与运动，物体真实的主要因素就是它的质感。由于现有技术与硬件上的限制，不可能使用与预渲染相同的渲染技术来实现实时模拟，所以本文主要探讨实现实时渲染的各种技巧与技术。

一般来说，三维材质的实现包含物体模型、漫反射层、凹凸层、高光层和反光层。本文中使用的模型是在discreet公司的3DSMAX中进行设计与制作的。应用程序通过调用我们自行开发的输出格式可以将已制作的模型再现于即时动态的演示程序中。漫反射层主要使用相对简单的传统渲染方式。在高光层和反光层我们利用了最新的立方体环境贴图技术结合摄影学知识实现了传统高光渲染不可能达到的质量与速度。使用各种贴图来实现光照，反光和高光的效果；避免的大量的传统光学计算，同时又能得到高精细度的效果。并进一步利用这个技术实时模拟近似的折射效果。其原理是将硬件支持的反射矢量计算通过改变模型顶点法向应用到折射中，从而大幅度减少计算量。最后，我们进行了总结并给出了下一步要做的工作。

关键词:三维实时渲染，三维材质，立方体环境贴图，高光调配，人造光学环境

目录

摘要...1

ABSTRACT.2

1.绪论...3

1.1.选题概述...3

1.2.主要的研究内容...3

1.3.章节安排...3

2.三维实时渲染的基础知识...5

2.1.三维坐标系与几何学...5

2.2.变换...9

2.3.光...14

2.4.材质...16

2.5.纹理...18

3.实现各种简单材质效果...20

3.1.漫反射层的材质模拟...20

3.2.凹凸层的模拟...22

4.使用立方体环境贴图方式实现完美反射和高光效果...24

4.1.环境贴图方式：高效制造反射效果的途径...24

4.2.现有环境贴图方式的限制技术：球型贴图方式...25

4.3.立方体环境贴图方式：一条解决复杂问题的捷径...27

5.实现真实反光和高光效果所需的光学和摄影知识...30

5.1.自然光学环境和人造光学环境...30

5.2.高光的调配...32

5.3.人造光学环境的实时模拟...33

6.利用立方体环境贴图实现高光调配...34

6.1.立方体贴图的制作与实现...34

7.利用立方环境贴图模拟折射效果...37

7.1.斯涅尔定律...37

7.2.如何利用DIRECTX来计算折射顶点...39

8.总结...42

参考文献...43

附录A：演示程序及其使用说明...44

附录B：相关文献翻译...45