3.4　大場景真實感三維環境渲染

有了三維模型或場景，怎么把這些三維幾何模型畫出來，產生高逼真度的仿真場景？這就是傳統的計算機圖形學的核心任務，而如今借助物理級游戲引擎，逐步形成了基于高運行效率的超大規模模型渲染和地形渲染技術。該技術主要想解決的問題是海量地形模型，超大規模交通流和渲染服務器硬件算力之間的矛盾，這就要求盡可能降低地形模型的幾何復雜度，減少實時繪制的數據量，提高整個場景的繪制效率，該領域所實現的技術工作主要集中在地形網格底層數據載體（OpenDRIVE）的快速加載、三維場景的關卡化管理和異步加載與卸載、動態模型和其他三維模型的LOD（Levels Of Detail，多細節層次）優化與呈現。大場景真實感渲染還原參見圖3-3。

大場景真實感三維環境渲染作為大規模場景構建的基礎，首先要確定適合仿真、編輯和可視化的標準路網格式。標準路網格式應包括道路線型、寬度、高程，以及交通標線、信號燈、標志標牌等設施信息。目前，行業內一般采用OpenDRIVE標準格式。地形網格底層數據載體所采用的OpenDRIVE標準格式是對路網結構的描述性文件，文件格式為XML。XML文件種類包含了Road、Junction、Station等諸多道路路網信息，其路網結構化描述如圖3-4所示，并支持自定義擴展。

|- 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

結構的輕量化帶來的好處是文件體積較小，解析快速，通過坐標轉化的方式，將WGS-84坐標系統轉換為渲染引擎內坐標系統，同時基于預設模型庫自動/半自動地生成三維場景（生成流程參見圖3-5），包括道路、路面標線、標識牌、交通燈、信號桿、龍門架、直立信號桿、停止線、路燈桿、斑馬線區域等，仿真場景—三維道路構建如圖3-6所示。

三維場景提供24小時晝夜變換、大氣渲染和自動光照變化的效果。基于時間變化，在不同時段里自動加載不同時間段的渲染參數，包括太陽光角度、太陽光強度、霧的指數、月光強度、天空光的顏色和強度等，如圖3-7、圖3-8所示。

時間參數也會關聯場景環境的材質特效參數，當判斷夜晚降臨后，會自動開啟夜景燈光效果，如圖3-9所示。

除了天空云層效果，場景中還會同步一個天氣粒子發射器，用于根據天氣參數設置表格生成不同的粒子效果，如區分小雨、中雨、大雨、暴雨、雨夾雪、小雪、中雪、暴雪等的效果。另外，還有對應的材質變化效果，配合白平衡、全局色彩飽和度及對比度、Gamma、色差校正等后處理特效，可以更真實地還原不同的天氣情況，以達到仿真模擬的效果。如圖3-10、圖3-11所示，為雨天和雪天兩種不同的天氣效果。

在三維場景規模較大、單機渲染算力無法滿足需求的情況下，可以引入物理引擎的關卡流送技術。關卡流送技術可將地圖文件加載到內存中，也可從內存中卸載地圖文件，并在場景展示過程中切換地圖的顯示方式。這樣一來，場景便能拆分為較小的文件塊，只有相關的部分才會占用資源并被渲染。關卡分布在平面網格中，并在視角靠近時流入。實現關卡無縫混合的第一步是創建固定關卡。可將固定關卡視為一個主關卡，主要用于管理哪些關卡將流進和流出。通過渲染引擎的Levels窗口對流送關卡進行管理。流送關卡可與固定關卡重疊，或偏移，創建更大的世界場景。使用流送關卡的流送類型可設為Always Loaded或Blueprint。當流送關卡被設為Always Loaded時，將與固定關卡一同加載，也將與固定關卡一同變為可見狀態。它將無視指定的流送體積域，以及來自藍圖或C++代碼的所有加載/卸載請求。這類關卡分段常用于將固定關卡中的常見內容拆分為多個“層”，以便將重點區域總是加載在內存中，避免視角平移過程中的不斷加載/卸載。Blueprint（藍圖）流送類型的流送關卡實際上會受到關卡流送體積域、藍圖或C++代碼的控制。這些關卡可被動態加載或卸載。除了固定關卡，其他所有的關卡都會在小地圖中有一個圖片和一個在世界中的位置。當關卡里面的內容發生改變時，關卡的這張圖片也會被更新。小地圖允許你在頂視圖預覽你的世界，并且通過拖曳各個關卡來設定它們的位置。當拖動關卡時，它們將會捕捉其他關卡的邊緣。

大規模場景的渲染性能提升除關卡流送技術之外，多細節層次（Level of Details，LOD）技術更為基礎。多細節層次技術根據距離加載不同層級的場景，以控制整體的渲染預算，讓整個體驗過程非常流暢、順滑。在微觀視角下，采用比較真實的車輛及其周邊元素模型。而在中觀視角下，則使用更低級別的車輛和道路模型貼圖等級，以確保大場景、多車輛交通仿真的流暢3D展示。業界對流暢度的理解基本定義為實現最低幀率不低于30幀/秒。為達到這一目標，數字資產需要支持L1～L5五個層級的LOD，根據可視距離自動切換，以符合從近到遠的渲染需求。每個細節程度的層級，需要分別設置不同的加載距離，當渲染攝像機距離超過設置距離時，則隱藏高細節程度的模型。

如表3-1所示為場景分級組織子系統對于層級劃分的需求。