[原创]：高品质的着色效果图输出

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高品质的着色效果图输出
关键词：着色效果图、Phong光照模型、硬件功能仿真、硬件缓存

长期以来，三维效果图输出一直是国产CAD软件的弱项，得到的结果差强人意，无法进入实用水平。用户不得不为了输出可以实用的效果图而再安装一套AUTOCAD，无形之中提高了制图成本，降低了出图效率。效果图输出的功能主要分为消隐(hide)、着色(shade)、渲染(render)三部分，经过浩辰公司研发中心软件工程师的不懈努力，浩辰ICAD系统3D着色引擎已经成功完成了前两个环节，即消隐与着色，其输出的效果足以与国际产品（如AutoCAD）相媲美，在国内同领域已经处于领先地位。经过大量的优化处理，以及使用硬件加速技术，浩辰ICAD系统的着色速度、效果均与AutoCAD相差无几，在打印输出中甚至略强于AutoCAD 2006。在浩辰ICAD新版中，用户只需通过选择“视图”菜单下“着色”菜单里的相应项目或直接在命令窗口里执行着色相关命令，即可迅速得到同AutoCAD近乎相同的着色输出效果图。

着色渲染引擎使用显卡硬件资源及协处理器协同进行渲染工作，支持异步处理方式使现今最新式的多核处理技术得已充分发挥。优秀的硬件功能仿真技术可使古老的TNT、S3 Trio64V等显示卡在处理时间相差不大的情况下依旧输出完美的效果。支持硬件光照几何变换、多重反走样处理等技术可使用户在2002年之后的非专业显卡上实现输出专业级效果。独有硬件缓存技术，通过充分使用显卡自带的显存进行对象缓存，将渲染过程中的系统总线瓶颈降到最低，使引擎工作效率可以与AutoCAD匹敌。

多重反走样技术是提高计算机3D着色质量的重要技术之一，可给人视觉上产生更舒适光滑的图像。传统着色输出效果中，实体的边缘总是存在很多不和谐的“梯状”锯齿无法与照片媲美（见图1、2），通过多重反走样技术用户可得到没有锯齿的、平滑的照片级着色效果（见图3）。


在新的着色引擎中，我们引入了Phong光照模型（见图4），对物体表面上的每个点P均需计算光线的反射方向R，再由V计算（R·V），其生成图像的着色品质已经达到了与AutoCAD相近的程度（见下表）。与此同时我们还在研究探索诸如：depth of field（景深）、ray-traced shadows（光线跟踪阴影）、ambient occlusion（环境色吸留）、caustics（焦散）、subsurface scattering（次表面散射）、normal mapper（法向量贴图）等一系列算法为完全替代国外设计领域产品做准备，预计我们的下一代着色引擎将可以为用户提供更加真实的、接近国外20世纪SGI专业影视图形工作站的渲染品质。


下面就新版ICAD与AUTOCAD2006、中望CAD2006作一个简单直观的对比：
新版ICAD        AutoCAD2006        中望CAD
着色效果
                      
正确        正确        完全错误
平均着色时间
0.73秒        0.67秒        2.12秒
效果图打印(*)
                  
正确        颜色错误        完全错误
效果图细部
                  
正确        颜色错误        完全错误
(*)AUTOCAD2006存在BUG，白色建模被变成黑色，该问题已在AUTOCAD2007中修正
从上面的对比，我们可以看出有的CAD软件完全错误的处理主要表现为：着色后2D实体消失、缺少光照效果，并且多边形轮廓也被错误的描绘了出来，打印时图像混乱、横纵比例失调，实体颜色异常，处理速度比较慢，是ICAD与ACAD的3倍。AutoCAD2006的处理效果很好，但美中不足就是AutoCAD2006在打印时存在白色实体颜色异常的错误。新版ICAD在同样的环境、同样的设置下着色结果与AutoCAD2006十分相近，但新版浩辰ICAD的对比度会略高于AutoCAD2006，使着色结果的立体感更强，在打印结果中新版ICAD与 AutoCAD2006相比修正了白色实体颜色异常的错误，效果更加优秀。由此可见，新版浩辰ICAD在效果图着色处理领域以绝对优势明显优于国内同类产品，已经与国外同类产品处于相同水平。
今后，浩辰软件会一如既往地对技术深入研究，对产品精益求精，力争打造在各方面均不逊于国外同类产品，属于国人自己的CAD品牌。浩辰软件的新一代着色引擎将为用户提供更完美、更真实、更专业的效果图渲染品质。

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