元宇宙3D圖形渲染框架技術(shù)規(guī)范

1元宇宙3D圖形渲染框架技術(shù)規(guī)范本文件規(guī)定了元宇宙3D圖形渲染的系統(tǒng)架構(gòu)、邏輯流程、數(shù)據(jù)管理、技術(shù)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)格式、接口管理等。本文件適用于指導(dǎo)進(jìn)行元宇宙3D圖形渲染的構(gòu)建。2規(guī)范性引用文件本文件沒(méi)有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1元宇宙Metaverse元宇宙是人類(lèi)運(yùn)用數(shù)字技術(shù)構(gòu)建的，由現(xiàn)實(shí)世界映射或超越現(xiàn)實(shí)世界，可與現(xiàn)實(shí)世界交互的虛擬世界，具備新型社會(huì)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(xué)物體形狀。3.33D圖形ThreeDimensional3d是three-dimensional的縮寫(xiě)，也就是三維圖形。在計(jì)算機(jī)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(guò)程。模型是用嚴(yán)格定義的語(yǔ)言或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)于三維物體的描述，它包括幾何、視點(diǎn)、紋理以及照明信息。3.53D渲染3drendering3D渲染是計(jì)算機(jī)從3D場(chǎng)景(多邊形，材質(zhì)過(guò)程的最后階段，但例外是是否將渲染帶入Photoshop進(jìn)行后處理。如果要渲染動(dòng)畫(huà)，它將被導(dǎo)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(wù)模型Businessmodel根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際業(yè)務(wù)過(guò)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(lái)源：ISO/TR24464:2020,3.1.4]3.8業(yè)務(wù)邏輯ServiceLogic根據(jù)元宇宙交互內(nèi)容，通過(guò)代碼或腳本實(shí)現(xiàn)的交互功能。3.9網(wǎng)絡(luò)通信CommunicationsNetwork通信網(wǎng)絡(luò)是指將各個(gè)孤立的設(shè)備進(jìn)行物理連接，實(shí)現(xiàn)人與人，人與計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息交換的鏈路，從而達(dá)到資源共享和通信的目的。它是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互和獲取的途徑之一。3.10場(chǎng)景Scene場(chǎng)景是每個(gè)項(xiàng)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(chǎng)景中，支持在場(chǎng)景內(nèi)放置模型，燈光和照相機(jī)。也可以通過(guò)調(diào)整場(chǎng)景的位置，讓場(chǎng)景內(nèi)的所有內(nèi)容都一起跟著調(diào)整位置。3.11照相機(jī)Camera根據(jù)投影方式的不同，照相機(jī)又分為正交投影照相機(jī)與透視投影照相機(jī)。使用透視投影照相機(jī)獲得的結(jié)果是類(lèi)似人眼看到的有“近大遠(yuǎn)小”的效果；而使用正交投影照相機(jī)獲得的結(jié)果就像平面畫(huà)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(gòu)與基本要求4.1系統(tǒng)架構(gòu)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(yīng)用到場(chǎng)景四部分內(nèi)容。a）創(chuàng)建幾何模型，準(zhǔn)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(diǎn)——線——面——體最終形成幾何模型。b）加載幾何模型，可以加載無(wú)材質(zhì)模型，也可以加載有材質(zhì)模型，通過(guò)一個(gè)個(gè)頂點(diǎn)加載進(jìn)來(lái)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(diǎn)及三角面，通過(guò)一系列算法解析，最終成為可被讀取的數(shù)據(jù)。d）應(yīng)用到場(chǎng)景，將可讀取的幾何模型數(shù)據(jù)，加載渲染到可查看的畫(huà)布上面，最終應(yīng)用到場(chǎng)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(shù)邏輯流程參考圖1。通過(guò)創(chuàng)建場(chǎng)景到配置場(chǎng)景的燈光、相機(jī)，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(chǎng)景里去，最后創(chuàng)建渲染器，把元宇宙3D模型渲染出來(lái)。圖1元宇宙3D圖形渲染邏輯架構(gòu)圖（web）4圖2元宇宙3D圖形渲染邏輯架構(gòu)圖（PC）4.3技術(shù)語(yǔ)言4.3.1WEB端使用語(yǔ)言元宇宙3D圖形渲染框架技術(shù)語(yǔ)言有JavaScript語(yǔ)言,使用3dengin.js庫(kù)實(shí)現(xiàn)渲染。4.3.2PC端使用語(yǔ)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(jìn)行渲染，代碼語(yǔ)言可以使用C++或者使用C#，藍(lán)圖等腳本語(yǔ)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(dòng)畫(huà)，材質(zhì)，貼圖，骨骼，燈光，攝像機(jī)等數(shù)據(jù)。但是它的格式是不公開(kāi)的，所以需要使用Autodesk提供的SDK進(jìn)行格式的讀寫(xiě)修改等。Obj：是主流的模型格式之一，它的特點(diǎn)是直接存儲(chǔ)文本形式的頂點(diǎn)，面片，法向量等信息，紋理信息是直接存儲(chǔ)在外部鏈接中的。Glb：是一種開(kāi)源的模型格式文件，它是開(kāi)源的，存儲(chǔ)格式是二進(jìn)制文件，其中g(shù)lt是glb的文本存儲(chǔ)形式。其解析方法可以使用gltf封裝的SDK進(jìn)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(tái)即服務(wù)工具，可幫助用戶獲取3D圖形渲染庫(kù)數(shù)據(jù)。(1)場(chǎng)景場(chǎng)景是放置物體、燈光和攝像機(jī)的地方newdengin.Scene()(2)相機(jī)相機(jī)就類(lèi)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(chǎng)景中默認(rèn)都是沒(méi)有光的，就像一個(gè)沒(méi)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(chǎng)景，呈現(xiàn)到屏幕上觀看newdengin.WebGLRenderer()(5)幾何體場(chǎng)景中的物體newdengin.BufferGeometry()(6)材質(zhì)場(chǎng)景中的物體的皮膚newdengin.Material()(7)加載器導(dǎo)入外部模型的一種方法庫(kù)newdengin.TextureLoader()newdengin.CubeTextureLoader()newdengin.ImageLoader()newdengin.ObjectLoader()newdengin.MaterialLoader()newdengin.GLTFLoader()newdengin.FBXLoader()4.5.2作為一個(gè)跨平臺(tái)渲染框架，我們可以使用宏定義去區(qū)分不同的平臺(tái)，但是保持同樣的對(duì)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P(guān)LATFORM_WIN32自定義Windows32位宏P(guān)LATFORM_WEB自定義Web平臺(tái)端7(1)場(chǎng)景場(chǎng)景是放置物體、燈光和攝像機(jī)的地方newdengin.Scene()(2)相機(jī)相機(jī)就類(lèi)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(chǎng)景中默認(rèn)都是沒(méi)有光的，就像一個(gè)沒(méi)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(chǎng)景，呈現(xiàn)到屏幕上觀看newdengin.WebGLRenderer()(5)幾何體場(chǎng)景中的物體newdengin.BufferGeometry()(6)材質(zhì)場(chǎng)景中的物體的皮膚newdengin.Material()(7)加載器導(dǎo)入外部模型的一種方法庫(kù)newdengin.TextureLoader()8newdengin.CubeTextureLoader()newdengin.ImageLoader()newdengin.ObjectLoader()newdengin.MaterialLoader()newdengin.GLTFLoader()newdengin.FBXLoader()5測(cè)試與分級(jí)單元測(cè)試：?jiǎn)卧獪y(cè)試是在程序開(kāi)發(fā)的最初階段進(jìn)行的測(cè)試，主要針對(duì)程序的基本集成測(cè)試：集成測(cè)試是針對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行的測(cè)試，測(cè)試不同功能模塊之間的集成和協(xié)作，以確保整個(gè)程序的功能和性能符合要求。程序測(cè)試：程序測(cè)試是在程序開(kāi)發(fā)的后期進(jìn)行的測(cè)試，主要測(cè)試程序的功能、性能、安全等方面，以確保程序達(dá)到預(yù)期的要求和標(biāo)準(zhǔn)。驗(yàn)收測(cè)試：驗(yàn)收測(cè)試是在程序開(kāi)發(fā)完成后進(jìn)行的測(cè)試，由用戶或客戶進(jìn)行，主要測(cè)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(yùn)行。安全測(cè)試：安全測(cè)試是針對(duì)程序的安全性進(jìn)行的測(cè)試，包括漏洞掃描、滲透測(cè)試、代碼審查等多種測(cè)試方法，以確保程序的安全性能滿足等級(jí)要求。性能測(cè)試：性能測(cè)試是針對(duì)程序的性能進(jìn)行的測(cè)試，包括負(fù)載測(cè)試、壓力測(cè)試、并發(fā)測(cè)試等多種測(cè)試方法，以確保程序的性能滿足等級(jí)要求。9（規(guī)范性）三維場(chǎng)景渲染技術(shù)（又稱(chēng)3D渲染技術(shù)）方法A.1三維場(chǎng)景渲染技術(shù)（又稱(chēng)3D渲染技術(shù)）方法三維場(chǎng)景渲染是計(jì)算機(jī)從三維場(chǎng)景內(nèi)獲取模型、材質(zhì)和光照等基本信息并通過(guò)復(fù)雜計(jì)算輸出真實(shí)感高圖像的過(guò)程。三維場(chǎng)景渲染是三維圖形平臺(tái)內(nèi)最重要的模塊之一，主要負(fù)責(zé)對(duì)圖形的組織、管理與顯示，實(shí)際上是三維真實(shí)感圖形的再現(xiàn)過(guò)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(shù)方法，主要包括以下幾種：A.1.1掃描線渲染技術(shù)掃描線技術(shù)可有效減少渲染時(shí)間，它在3D建模中基于逐個(gè)多邊形提供實(shí)時(shí)渲染，而不是逐個(gè)像素進(jìn)行渲染。通過(guò)這種技術(shù)，與預(yù)計(jì)算的照明一起使用時(shí)，可以達(dá)到每秒60幀（fps）的速度。A.1.2光線追蹤渲染技術(shù)光線追蹤是一種渲染3D建模的方法。它通過(guò)3D場(chǎng)景中材料的反射或折射使用精確的“反射”來(lái)跟蹤自然光。它可通過(guò)算法