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文檔簡介
1元宇宙3D圖形渲染框架技術規(guī)范本文件規(guī)定了元宇宙3D圖形渲染的系統(tǒng)架構、邏輯流程、數(shù)據(jù)管理、技術語言、數(shù)據(jù)格式、接口管理等。本文件適用于指導進行元宇宙3D圖形渲染的構建。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1元宇宙Metaverse元宇宙是人類運用數(shù)字技術構建的,由現(xiàn)實世界映射或超越現(xiàn)實世界,可與現(xiàn)實世界交互的虛擬世界,具備新型社會體系的數(shù)字生活空間。3.2幾何模型Geometricmodel用幾何概念描述物理或者數(shù)學物體形狀。3.33D圖形ThreeDimensional3d是three-dimensional的縮寫,也就是三維圖形。在計算機里顯示3d圖形,指在平面里顯示三維圖形。3.4渲染Render渲染在電腦繪圖中是指用軟件從模型生成圖像的過程。模型是用嚴格定義的語言或者數(shù)據(jù)結構對于三維物體的描述,它包括幾何、視點、紋理以及照明信息。3.53D渲染3drendering3D渲染是計算機從3D場景(多邊形,材質(zhì)過程的最后階段,但例外是是否將渲染帶入Photoshop進行后處理。如果要渲染動畫,它將被導出為視頻文件或一系列圖像,以后可以將它們縫合在一起。23.6業(yè)務模型Businessmodel根據(jù)現(xiàn)場實際業(yè)務過程而建立的模型。3.7數(shù)字孿生DigitalTwins由物理資產(chǎn)、虛擬鏡像和用戶界面組成的混合模型。[來源:ISO/TR24464:2020,3.1.4]3.8業(yè)務邏輯ServiceLogic根據(jù)元宇宙交互內(nèi)容,通過代碼或腳本實現(xiàn)的交互功能。3.9網(wǎng)絡通信CommunicationsNetwork通信網(wǎng)絡是指將各個孤立的設備進行物理連接,實現(xiàn)人與人,人與計算機,計算機與計算機之間進行信息交換的鏈路,從而達到資源共享和通信的目的。它是網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互和獲取的途徑之一。3.10場景Scene場景是每個項目里面放置內(nèi)容的容器,可以將已創(chuàng)建的3D圖形加入到場景中,支持在場景內(nèi)放置模型,燈光和照相機。也可以通過調(diào)整場景的位置,讓場景內(nèi)的所有內(nèi)容都一起跟著調(diào)整位置。3.11照相機Camera根據(jù)投影方式的不同,照相機又分為正交投影照相機與透視投影照相機。使用透視投影照相機獲得的結果是類似人眼看到的有“近大遠小”的效果;而使用正交投影照相機獲得的結果就像平面畫3D的效果,在三維空間內(nèi)平行的線,投影到二維空間中也一定是平行的。4系統(tǒng)架構與基本要求4.1系統(tǒng)架構元宇宙3D圖形渲染框架,包括創(chuàng)建幾何模型、加載幾何模型、讀取幾何模型、應用到場景四部分內(nèi)容。a)創(chuàng)建幾何模型,準備模型數(shù)據(jù)以及它們的紋理和材質(zhì)信息,模型的創(chuàng)建是由依次點——線——面——體最終形成幾何模型。b)加載幾何模型,可以加載無材質(zhì)模型,也可以加載有材質(zhì)模型,通過一個個頂點加載進來生成三角面。c)讀取幾何模型,又叫解析幾何模型,獲取到頂點及三角面,通過一系列算法解析,最終成為可被讀取的數(shù)據(jù)。d)應用到場景,將可讀取的幾何模型數(shù)據(jù),加載渲染到可查看的畫布上面,最終應用到場景,成為我們想要的效果。4.2邏輯流程3元宇宙3D圖形渲染框架技術邏輯流程參考圖1。通過創(chuàng)建場景到配置場景的燈光、相機,可以使用web和PC端兩種方式渲染模型,分別是加載已經(jīng)創(chuàng)建好的幾何模型文件,或者自己使用代碼創(chuàng)建幾何模型,可以加載模型的材質(zhì)數(shù)據(jù),也可以更改材質(zhì)數(shù)據(jù),從而加入到剛才創(chuàng)建的場景里去,最后創(chuàng)建渲染器,把元宇宙3D模型渲染出來。圖1元宇宙3D圖形渲染邏輯架構圖(web)4圖2元宇宙3D圖形渲染邏輯架構圖(PC)4.3技術語言4.3.1WEB端使用語言元宇宙3D圖形渲染框架技術語言有JavaScript語言,使用3dengin.js庫實現(xiàn)渲染。4.3.2PC端使用語言PC端使用的渲染引擎可以使用UnrealEngine4/5(虛幻引擎)或者unity引擎進行渲染,代碼語言可以使用C++或者使用C#,藍圖等腳本語言。54.4數(shù)據(jù)格式目前主流的模型格式有FBX,OBJ,glb/gltf。Fbx:是目前3D工具主流的模型格式之一。fbx里面包含了動畫,材質(zhì),貼圖,骨骼,燈光,攝像機等數(shù)據(jù)。但是它的格式是不公開的,所以需要使用Autodesk提供的SDK進行格式的讀寫修改等。Obj:是主流的模型格式之一,它的特點是直接存儲文本形式的頂點,面片,法向量等信息,紋理信息是直接存儲在外部鏈接中的。Glb:是一種開源的模型格式文件,它是開源的,存儲格式是二進制文件,其中glt是glb的文本存儲形式。其解析方法可以使用gltf封裝的SDK進行解析讀取。4.5接口管理4.5.1web端接口管理作為集成平臺即服務工具,可幫助用戶獲取3D圖形渲染庫數(shù)據(jù)。(1)場景場景是放置物體、燈光和攝像機的地方newdengin.Scene()(2)相機相機就類似我們的人眼,可以觀察到環(huán)境中的物體,以及光線效果等newdengin.OrthographicCamera()newdengin.PerspectiveCamera()(3)光源場景中默認都是沒有光的,就像一個沒有窗戶的空間,需要增加光源才能看到物體newdengin.AmbientLight()newdengin.DirectionalLight()newdengin.HemisphereLight()newdengin.PointLight()newdengin.RectAreaLight()6newdengin.SpotLight()(4)渲染器用于渲染已經(jīng)配置好的場景,呈現(xiàn)到屏幕上觀看newdengin.WebGLRenderer()(5)幾何體場景中的物體newdengin.BufferGeometry()(6)材質(zhì)場景中的物體的皮膚newdengin.Material()(7)加載器導入外部模型的一種方法庫newdengin.TextureLoader()newdengin.CubeTextureLoader()newdengin.ImageLoader()newdengin.ObjectLoader()newdengin.MaterialLoader()newdengin.GLTFLoader()newdengin.FBXLoader()4.5.2作為一個跨平臺渲染框架,我們可以使用宏定義去區(qū)分不同的平臺,但是保持同樣的對外接口,在C++中接入Web端渲染功能。#define#define#define#define#defineWIN64WIN3264位PC(系WIN64WIN3232位PC(系統(tǒng)宏)PLATFORM_WIN64自定義Windows64位宏PLATFORM_WIN32自定義Windows32位宏PLATFORM_WEB自定義Web平臺端7(1)場景場景是放置物體、燈光和攝像機的地方newdengin.Scene()(2)相機相機就類似我們的人眼,可以觀察到環(huán)境中的物體,以及光線效果等newdengin.OrthographicCamera()newdengin.PerspectiveCamera()(3)光源場景中默認都是沒有光的,就像一個沒有窗戶的空間,需要增加光源才能看到物體newdengin.AmbientLight()newdengin.DirectionalLight()newdengin.HemisphereLight()newdengin.PointLight()newdengin.RectAreaLight()newdengin.SpotLight()(4)渲染器用于渲染已經(jīng)配置好的場景,呈現(xiàn)到屏幕上觀看newdengin.WebGLRenderer()(5)幾何體場景中的物體newdengin.BufferGeometry()(6)材質(zhì)場景中的物體的皮膚newdengin.Material()(7)加載器導入外部模型的一種方法庫newdengin.TextureLoader()8newdengin.CubeTextureLoader()newdengin.ImageLoader()newdengin.ObjectLoader()newdengin.MaterialLoader()newdengin.GLTFLoader()newdengin.FBXLoader()5測試與分級單元測試:單元測試是在程序開發(fā)的最初階段進行的測試,主要針對程序的基本集成測試:集成測試是針對整個程序進行的測試,測試不同功能模塊之間的集成和協(xié)作,以確保整個程序的功能和性能符合要求。程序測試:程序測試是在程序開發(fā)的后期進行的測試,主要測試程序的功能、性能、安全等方面,以確保程序達到預期的要求和標準。驗收測試:驗收測試是在程序開發(fā)完成后進行的測試,由用戶或客戶進行,主要測試程序是否符合用戶需求,以及是否能夠在用戶環(huán)境中正常運行。安全測試:安全測試是針對程序的安全性進行的測試,包括漏洞掃描、滲透測試、代碼審查等多種測試方法,以確保程序的安全性能滿足等級要求。性能測試:性能測試是針對程序的性能進行的測試,包括負載測試、壓力測試、并發(fā)測試等多種測試方法,以確保程序的性能滿足等級要求。9(規(guī)范性)三維場景渲染技術(又稱3D渲染技術)方法A.1三維場景渲染技術(又稱3D渲染技術)方法三維場景渲染是計算機從三維場景內(nèi)獲取模型、材質(zhì)和光照等基本信息并通過復雜計算輸出真實感高圖像的過程。三維場景渲染是三維圖形平臺內(nèi)最重要的模塊之一,主要負責對圖形的組織、管理與顯示,實際上是三維真實感圖形的再現(xiàn)過程,具體表現(xiàn)在光線處理、紋理處理和圖形顯示處理。3D渲染技術方法,主要包括以下幾種:A.1.1掃描線渲染技術掃描線技術可有效減少渲染時間,它在3D建模中基于逐個多邊形提供實時渲染,而不是逐個像素進行渲染。通過這種技術,與預計算的照明一起使用時,可以達到每秒60幀(fps)的速度。A.1.2光線追蹤渲染技術光線追蹤是一種渲染3D建模的方法。它通過3D場景中材料的反射或折射使用精確的“反射”來跟蹤自然光。它可通過算法
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