3.4　大场景真实感三维环境渲染

有了三维模型或场景，怎么把这些三维几何模型画出来，产生高逼真度的仿真场景？这就是传统的计算机图形学的核心任务，而如今借助物理级游戏引擎，逐步形成了基于高运行效率的超大规模模型渲染和地形渲染技术。该技术主要想解决的问题是海量地形模型，超大规模交通流和渲染服务器硬件算力之间的矛盾，这就要求尽可能降低地形模型的几何复杂度，减少实时绘制的数据量，提高整个场景的绘制效率，该领域所实现的技术工作主要集中在地形网格底层数据载体（OpenDRIVE）的快速加载、三维场景的关卡化管理和异步加载与卸载、动态模型和其他三维模型的LOD（Levels Of Detail，多细节层次）优化与呈现。大场景真实感渲染还原参见图3-3。

大场景真实感三维环境渲染作为大规模场景构建的基础，首先要确定适合仿真、编辑和可视化的标准路网格式。标准路网格式应包括道路线型、宽度、高程，以及交通标线、信号灯、标志标牌等设施信息。目前，行业内一般采用OpenDRIVE标准格式。地形网格底层数据载体所采用的OpenDRIVE标准格式是对路网结构的描述性文件，文件格式为XML。XML文件种类包含了Road、Junction、Station等诸多道路路网信息，其路网结构化描述如图3-4所示，并支持自定义扩展。

|- OpenDRIVE

|- header [1]

|- road [1+]

|- controller [0+]

|- junction [0+]

|- junctionGroup [0+]

|- station [0+]

|- road [name, length, id, junction]

|- link

|- type

|- planView

|- elevationProfile

|- lateralProfile

|- lanes

|- objects

|- signals

|- surface

|- railroad

结构的轻量化带来的好处是文件体积较小，解析快速，通过坐标转化的方式，将WGS-84坐标系统转换为渲染引擎内坐标系统，同时基于预设模型库自动/半自动地生成三维场景（生成流程参见图3-5），包括道路、路面标线、标识牌、交通灯、信号杆、龙门架、直立信号杆、停止线、路灯杆、斑马线区域等，仿真场景—三维道路构建如图3-6所示。

三维场景提供24小时昼夜变换、大气渲染和自动光照变化的效果。基于时间变化，在不同时段里自动加载不同时间段的渲染参数，包括太阳光角度、太阳光强度、雾的指数、月光强度、天空光的颜色和强度等，如图3-7、图3-8所示。

时间参数也会关联场景环境的材质特效参数，当判断夜晚降临后，会自动开启夜景灯光效果，如图3-9所示。

除了天空云层效果，场景中还会同步一个天气粒子发射器，用于根据天气参数设置表格生成不同的粒子效果，如区分小雨、中雨、大雨、暴雨、雨夹雪、小雪、中雪、暴雪等的效果。另外，还有对应的材质变化效果，配合白平衡、全局色彩饱和度及对比度、Gamma、色差校正等后处理特效，可以更真实地还原不同的天气情况，以达到仿真模拟的效果。如图3-10、图3-11所示，为雨天和雪天两种不同的天气效果。

在三维场景规模较大、单机渲染算力无法满足需求的情况下，可以引入物理引擎的关卡流送技术。关卡流送技术可将地图文件加载到内存中，也可从内存中卸载地图文件，并在场景展示过程中切换地图的显示方式。这样一来，场景便能拆分为较小的文件块，只有相关的部分才会占用资源并被渲染。关卡分布在平面网格中，并在视角靠近时流入。实现关卡无缝混合的第一步是创建固定关卡。可将固定关卡视为一个主关卡，主要用于管理哪些关卡将流进和流出。通过渲染引擎的Levels窗口对流送关卡进行管理。流送关卡可与固定关卡重叠，或偏移，创建更大的世界场景。使用流送关卡的流送类型可设为Always Loaded或Blueprint。当流送关卡被设为Always Loaded时，将与固定关卡一同加载，也将与固定关卡一同变为可见状态。它将无视指定的流送体积域，以及来自蓝图或C++代码的所有加载/卸载请求。这类关卡分段常用于将固定关卡中的常见内容拆分为多个“层”，以便将重点区域总是加载在内存中，避免视角平移过程中的不断加载/卸载。Blueprint（蓝图）流送类型的流送关卡实际上会受到关卡流送体积域、蓝图或C++代码的控制。这些关卡可被动态加载或卸载。除了固定关卡，其他所有的关卡都会在小地图中有一个图片和一个在世界中的位置。当关卡里面的内容发生改变时，关卡的这张图片也会被更新。小地图允许你在顶视图预览你的世界，并且通过拖曳各个关卡来设定它们的位置。当拖动关卡时，它们将会捕捉其他关卡的边缘。

大规模场景的渲染性能提升除关卡流送技术之外，多细节层次（Level of Details，LOD）技术更为基础。多细节层次技术根据距离加载不同层级的场景，以控制整体的渲染预算，让整个体验过程非常流畅、顺滑。在微观视角下，采用比较真实的车辆及其周边元素模型。而在中观视角下，则使用更低级别的车辆和道路模型贴图等级，以确保大场景、多车辆交通仿真的流畅3D展示。业界对流畅度的理解基本定义为实现最低帧率不低于30帧/秒。为达到这一目标，数字资产需要支持L1～L5五个层级的LOD，根据可视距离自动切换，以符合从近到远的渲染需求。每个细节程度的层级，需要分别设置不同的加载距离，当渲染摄像机距离超过设置距离时，则隐藏高细节程度的模型。

如表3-1所示为场景分级组织子系统对于层级划分的需求。