三維技術(shù)基礎(chǔ)與藝術(shù)欣賞第8章三維游戲技術(shù)

1、1,三維技術(shù)基礎(chǔ)與藝術(shù)欣賞,2,教學(xué)目標(biāo),主要講解三維測量、三維靜態(tài)建模、三維動態(tài)仿真、三維重建、三維顯示、三維打印、三維動畫、三維游戲、三維影視等基本原理和技術(shù)； 引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)鑒賞三維圖形圖像、三維動畫游戲和三維電影藝術(shù)； 了解和熟悉三維領(lǐng)域涉及的基本概念和思維方式，了解三維技術(shù)最新發(fā)展和動態(tài)，能更好適應(yīng)現(xiàn)代三維科技時代的學(xué)習(xí)工作生活。,3,教學(xué)內(nèi)容,第1章三維技術(shù)概述 第2章三維測量技術(shù) 第3章三維建模技術(shù) 第4章三維重建技術(shù) 第5章三維顯示技術(shù) 第6章三維打印技術(shù) 第7章三維動畫技術(shù) 第8章三維游戲技術(shù) 第9章三維影視技術(shù) 第10章3DSMax簡介,4,第8章三維游戲技術(shù),三維場景的表達(dá)

2、 三維場景的幾何表示分三類： 多邊形網(wǎng)格模型、曲面模型和離散模型。 1.多邊形網(wǎng)格模型直接使用點(diǎn)、線段和多邊形來逼近真實(shí)的物體，結(jié)合光照明計(jì)算模型、表面材質(zhì)和紋理影射，多邊形網(wǎng)格模型是游戲場景中最直接、應(yīng)用最廣的幾何表示方法。由于底層圖形API（如OpenGL、Direct3D）的基本繪制元素是三角形，因此三角網(wǎng)格又是多邊形網(wǎng)格中最常見的表示方法。,5,第8章三維游戲技術(shù),三維場景的表達(dá) 2.曲面模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：比多邊形的描述更簡潔；可以交互調(diào)整；比多邊形物體更光滑、更連續(xù)；動畫和碰撞檢測更簡單和快速。 在游戲建模中，越來越多的曲面作為基本的場景描述手段，這主要體現(xiàn)在三個方面：首先，存儲曲面

3、模型耗費(fèi)的內(nèi)存相對較低，這對控制臺游戲特別有用；其次，整體曲面變換比逐個多邊形變換計(jì)算量更小；第三、如果圖形硬件支持曲面，從CPU傳送到圖形硬件的數(shù)據(jù)量將大大低于多邊形的傳送數(shù)據(jù)量。當(dāng)前的主流顯卡都提供了多邊形網(wǎng)格模型與曲面模型之間的互換功能。當(dāng)然，并不是所有的自由曲線曲面都適合在游戲引擎里使用，只有簡潔高效的曲面表示才在實(shí)時繪制方面占有優(yōu)勢。 曲面包括參數(shù)曲面、隱函數(shù)曲面和細(xì)分曲面。,6,第8章三維游戲技術(shù),三維場景的表達(dá) 3.離散模型： 體素模型，使用一些基本體素如長方體、球、柱體、錐體、圓環(huán)等，通過集合運(yùn)算如并、交、差等操作來組合形成物體。 體模型的特點(diǎn)是布爾運(yùn)算非常簡單，但存儲量大，冗

4、余性高。 目前已有一些游戲引擎專門使用體素模型。,7,第8章三維游戲技術(shù),三維場景的表達(dá),8,第8章三維游戲技術(shù),真實(shí)感圖形生成 圖形繪制的主要功能是根據(jù)給定的虛擬相機(jī)、三維場景、光源、光照模型和紋理等，在屏幕上生成（繪制）二維圖像。其中，場景物體在屏幕上的形狀和位置由物體本身的幾何、相機(jī)的方位和參數(shù)而定。而物體在屏幕上的外觀則由物體材質(zhì)屬性、光源屬性、紋理和設(shè)置的光照模型決定。對于不同底層圖形繪制API（如OpenGL和DirectX），繪制流程的階段和實(shí)現(xiàn)的功能基本相同，差異在于各個階段的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。在游戲的圖形繪制中，實(shí)時性處在最重要的地位，實(shí)時性一般指每秒處理幀以上，交互性一般指每秒處理

5、幀以上。游戲編程者需要精通圖形繪制流程中的各個階段和功能，但不必了解每個階段在圖形硬件中實(shí)施的細(xì)節(jié)。例如，圖形學(xué)中經(jīng)典的三角形掃描線填充算法已經(jīng)完全固化到圖形硬件中了，初學(xué)者可以不必知道其中的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。,9,第8章三維游戲技術(shù),真實(shí)感圖形生成 圖形繪制涉及兩個最基本的概念：變換和光照。 變換的意義是將幾何物體從三維空間中找到二維屏幕上的位置，這其中包括一系列的坐標(biāo)空間變換、裁剪、消隱等操作。由于最普遍的三維模型是網(wǎng)格表示，因此變換整個模型最終被分解為變換頂點(diǎn)的操作，為了減少計(jì)算量，早期的圖形繪制引擎逐頂點(diǎn)計(jì)算光照，因此統(tǒng)稱為頂點(diǎn)變換與光照。 圖形繪制流程由各個階段組成，各個階段之間是串聯(lián)關(guān)

6、系，前一階段的輸出是下一階段的輸入。流程圖由下圖所示：,10,第8章三維游戲技術(shù),真實(shí)感圖形生成,11,第8章三維游戲技術(shù),真實(shí)感圖形生成 物體層： 物體層的操作對象是場景的物體，它是輸出一系列的由頂點(diǎn)組成的幾何基本元素（包括點(diǎn)、線、三角形）。因此，物體層最重要的優(yōu)化措施是減少送入頂點(diǎn)層的幾何元素的個數(shù)，常用的辦法有視域裁剪、可見性判斷、優(yōu)化頂點(diǎn)組織方式、細(xì)節(jié)層次等。為了模擬客觀世界的真實(shí)物體，通常要在物體層進(jìn)行場景的幾何處理，如物體變形、碰撞檢測、用戶拾取等，為了滿足實(shí)時性的要求，必須優(yōu)化場景組織和幾何設(shè)計(jì)算法。,12,第8章三維游戲技術(shù),真實(shí)感圖形生成 頂點(diǎn)層： 實(shí)時繪制引擎中，頂點(diǎn)層的實(shí)

7、施對象是頂點(diǎn)，分為個階段，即：模型和相機(jī)變換、逐頂點(diǎn)光照明計(jì)算、投影變換、裁剪和視區(qū)變換。其中最重要的是計(jì)算空間頂點(diǎn)在屏幕上的位置。場景中的物體是在世界坐標(biāo)系或物體坐標(biāo)系中建立的，屏幕顯示出的畫面是在給定相機(jī)、相機(jī)方向和相機(jī)內(nèi)部參數(shù)后，場景物體在二維成像平面上的投影，從世界坐標(biāo)系到屏幕坐標(biāo)系需要經(jīng)歷一系列的變換，這些變換的嵌套統(tǒng)稱為取景變換。,13,第8章三維游戲技術(shù),真實(shí)感圖形生成 像素層： 像素層的任務(wù)可以簡述為：給定幾何層輸出的頂點(diǎn)位置、顏色和紋理坐標(biāo)，計(jì)算屏幕上每個像素的顏色。從頂點(diǎn)組成的幾何變換到像素的過程稱為光柵化。像素層的實(shí)施對象是每個像素，其結(jié)果分別保存于兩個緩沖器中，其中顏色

8、緩沖器中保存每個像素的顏色和不透明度，深度緩沖器（也叫Z緩沖器）保存每個像素歸一化后的z值。為了保證動畫繪制時的視覺連續(xù)性，光柵化當(dāng)前幀的同時在屏幕上輸出前一幀，光柵化層采取雙緩沖器機(jī)制。雙緩沖器機(jī)制使得圖形繪制流程同時保持兩個顏色緩沖器，交替作為前臺緩沖器和后臺緩沖器使用。在任意時刻，前臺緩沖器用于顯示，后臺緩沖器用于繪制，完成后兩者進(jìn)行交換。 像素層可分為四個子階段：消隱、逐像素光照明計(jì)算、紋理映射和顏色融合。,14,第8章三維游戲技術(shù),三維場景的組織和控制 在三維游戲場景中，往往追求用最少的處理器時間和內(nèi)存耗費(fèi)創(chuàng)造出最有視覺沖擊力的藝術(shù)效果。因此能否保證實(shí)時高質(zhì)量的畫面顯示是游戲圖形開發(fā)

9、的關(guān)鍵。對于高度復(fù)雜的場景，簡單的圖形硬件加速并不能滿足游戲的實(shí)時繪制需要，因而必須設(shè)計(jì)高效算法來進(jìn)一步加速復(fù)雜場景的漫游。與一般的真實(shí)感繪制不同，游戲中圖形繪制技術(shù)在追求速度的同時可以適當(dāng)損失圖形的繪制質(zhì)量?；谶@一原則，三維游戲中圖形技術(shù)大致可以從三個層面考慮： 1.場景的組織與優(yōu)化。它著重于提高繪制效率，建立優(yōu)化的場景表達(dá)模型，包括場景多邊形網(wǎng)格模型的優(yōu)化、場景幾何組織和繪制狀態(tài)優(yōu)化技術(shù)、層次細(xì)節(jié)技術(shù)以及在此基礎(chǔ)上的快速可見性判斷與消隱技術(shù)等。 2.場景畫面的真實(shí)度。它的前提是保證繪制速度，因此采用了一系列特效生成技術(shù)，包括高級紋理映射技術(shù)、混合式幾何和圖像建模與繪制技術(shù)、粒子系統(tǒng)、過程

10、式建模等。 3.基于真實(shí)物理定律的游戲效果模擬。主要是陰影模擬和碰撞檢測處理。,15,第8章三維游戲技術(shù),三維場景的組織和管理 1.基于場景圖的表達(dá)和管理 場景圖是一種將場景中的各種數(shù)據(jù)以圖的形式組織在一起的場景數(shù)據(jù)管理方式，它是一個k-樹狀結(jié)構(gòu)。根節(jié)點(diǎn)是整個場景，樹中的每個節(jié)點(diǎn)可以有任意多的子節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)存儲由場景集成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括幾何物體、光源、相機(jī)、聲音、物體包圍盒、變換和其他屬性。場景圖也可以被看作一個有向循環(huán)圖，基于場景圖表示的場景繪制封為兩步： 第一步：根據(jù)游戲的需要更新場景圖必要的部分。這種更新是部分的，不需要從根節(jié)點(diǎn)遍歷。如果某個父節(jié)點(diǎn)的幾何變換改變，父節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會影響到所

11、有子節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。而節(jié)點(diǎn)的包圍盒的改變則由下向上擴(kuò)散。 第二步：場景圖的剔除繪制過程。對于每個節(jié)點(diǎn)，首先剔除不可見部分，并保存上一個節(jié)點(diǎn)的繪制狀態(tài)，待該節(jié)點(diǎn)和它的子節(jié)點(diǎn)繪制完成后，在恢復(fù)上一個節(jié)點(diǎn)的繪制狀態(tài)。,16,第8章三維游戲技術(shù),三維場景的組織和管理 2.基于繪制狀態(tài)的場景管理 基本思路是把場景物體按繪制狀態(tài)分類。對于相同狀態(tài)的物體只設(shè)置一次狀態(tài)并始終保存當(dāng)前狀態(tài)表。狀態(tài)切換是指任意影響畫面生成的函數(shù)調(diào)用，包括紋理、材質(zhì)、光照、融合等函數(shù)。當(dāng)狀態(tài)切換時，只需改變和當(dāng)前狀態(tài)不一樣的狀態(tài)。由于狀態(tài)切換是一個耗時的操作，在實(shí)際操作繪制中應(yīng)該盡量避免頻繁的狀態(tài)切換。 3.基于景物包圍體的場景管理

12、常用的場景包圍盒技術(shù)有五類： 包圍球：包圍物體的最小球體； AABB包圍盒：軸平行包圍盒； OBB包圍盒：有向包圍盒； 平行六面體包圍盒； k對平行面包圍盒：離散有向多面體。,17,第8章三維游戲技術(shù),三維場景的組織和管理 4.優(yōu)化場景繪制的幾何剖分技術(shù) BSP樹即空間二叉剖分 四叉樹 八叉樹 均勻八叉樹剖分,18,第8章三維游戲技術(shù),游戲場景的幾何優(yōu)化 1.層次細(xì)節(jié)(LOD: level of detail)技術(shù) 層次細(xì)節(jié)算法不僅能減少場景多邊形數(shù)目，即場景復(fù)雜度，也可以用來控制場景的幀率。當(dāng)場景速度低于某個值時，可以采用LOD算法減少細(xì)節(jié)層次。反之，當(dāng)幀率很高時，意味著可以使用更高精度的模

13、型。因此可以在速度與效果之間達(dá)到平衡。層次細(xì)節(jié)技術(shù)主要包括以下四類： 簡單取舍型LOD 平滑過渡型LOD 靜態(tài)LOD 動態(tài)LOD,19,第8章三維游戲技術(shù),游戲場景的幾何優(yōu)化 2.漸進(jìn)網(wǎng)格和連續(xù)多分辨率繪制技術(shù) 以幾何元素刪除實(shí)現(xiàn)模型簡化是層次細(xì)節(jié)模型自動生成的常用方法。但是由于復(fù)雜模型龐大的數(shù)據(jù)量，使得以往的LOD模型生成方法只能預(yù)先產(chǎn)生多個間斷的簡化模型，從而引起實(shí)時繪制時圖形畫面的跳躍。為了解決這個問題，人們相繼提出了漸進(jìn)網(wǎng)絡(luò)模型概念以及三維復(fù)雜模型的實(shí)時連續(xù)的多分辨率繪制技術(shù)。,20,第8章三維游戲技術(shù),三維場景快速可見性判斷與消隱 1.可見性判斷算法分類,21,第8章三維游戲技術(shù),三

14、維場景快速可見性判斷與消隱 物體層算法 主要是利用前面介紹的場景優(yōu)化方法。 頂點(diǎn)層算法 最簡單的可見性判斷方法是背面剔除。它的基本假設(shè)是：多邊形的繪制模式是單面繪制，而且場景是封閉的。因此，如果多邊形的法向背向相機(jī)方向，則它是不可見的。背面剔除是底層API（OpenGL，Direct3D）的圖形流水線的一部分，因此游戲的圖形引擎不需要特殊設(shè)計(jì)。第二種可見性算法是視域剔除。除了圖形流水線提供的視域四棱錐外，應(yīng)用程序還可以自行設(shè)定裁剪面，剔除場景中的不可見部分。第三種可見性算法是裁剪面剔除。它引入額外的裁剪面，剔除不可見的頂點(diǎn)和多邊形。 注意：第一和第二種方法都依賴于圖形流水線的硬件處理能力，而且

15、可見性判斷需要在頂點(diǎn)變換之后進(jìn)行，因此仍無法避免在頂點(diǎn)變換之前對這些被剔除多邊形的處理,22,第8章三維游戲技術(shù),三維場景快速可見性判斷與消隱 像素層算法 傳統(tǒng)的深度緩沖算法利用屏幕上同一像素的深度信息決定可見面的判斷，有效地利用了圖像空間的相關(guān)性來加快可見性的判定，但是深度緩沖算法沒有利用空間的相關(guān)性。因此，人們提出了兩類層次結(jié)構(gòu)，即在物體空間建立八叉樹層次結(jié)構(gòu)，在圖像空間建立深度緩沖的四叉樹層次結(jié)構(gòu)的思想，很好的結(jié)合了物體空間、圖像空間和時空一致性的連貫性，但算法的實(shí)施依賴于對深度緩沖器的訪問，因而無法使用圖形硬件進(jìn)行加速。,23,第8章三維游戲技術(shù),三維場景快速可見性判斷與消隱 2.基于

16、入口（Portal）技術(shù)的可見性判斷 主要用途是加速室內(nèi)場景，特別是建筑物場景的可見性判斷。與BSP樹的技術(shù)思路非常類似，都是用于場景可見性判斷。不同的是入口技術(shù)只使用于室內(nèi)游戲的場景管理。它將場景預(yù)先按照一定的格式組織，即以建筑模型中的主要的遮擋面（墻壁、地板、天花板等）為空間劃分面，將建筑模型劃分為以房間為基本單元的結(jié)構(gòu)，每個單元包含數(shù)目不等的物體。在空間劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)單元之間共有的入口，如門、窗等，建立單元與單元之間的鄰接圖。入口的幾何表示是一個有界平面，但是它不會被真正繪制。很明顯，在游戲的任意時刻，游戲中的玩家只能位于某個單元中，考慮到實(shí)時漫游時視點(diǎn)的任意性，入口技術(shù)定義某個單元

17、的可見性為視點(diǎn)所能看到的區(qū)域，即一個視點(diǎn)在此單元中任一位置、任一方向所能看到的區(qū)域，單元與單元之間可見就意味著有一條光線能夠無遮擋地從此單元到達(dá)彼單元。,24,第8章三維游戲技術(shù),三維場景快速可見性判斷與消隱 3.遮擋面剔除技術(shù) 遮擋面剔除技術(shù)不同于視域裁剪和背面裁剪。代表性的遮擋面剔除算法是基于陰影體技術(shù)，陰影體是生成場景中陰影的一種算法，它針對場景中的每個潛在的遮擋體生成一個陰影體，并將視點(diǎn)假設(shè)為光源，這樣位于某個物體的陰影體內(nèi)部的部分便是不可見的。,25,第8章三維游戲技術(shù),三維場景快速可見性判斷與消隱 4.潛在可見集（PVS）方法 在入口技術(shù)中，若場景中有n個單元，可以對每個單元設(shè)置一

18、個n個比特組成的標(biāo)志位。如果第i個單元相對于當(dāng)前單元是可見的，那么第i位設(shè)置為。這種潛在可見單元方法在Quake，QuakeII中都被使用。它的一個推廣版就是可見集算法PVS。 PVS算法本質(zhì)上是一種預(yù)處理技術(shù)，它預(yù)先提取出那些潛在的可見面。,26,第8章三維游戲技術(shù),地形場景的繪制與漫游 地形繪制是室外三維游戲中必須面對的問題。場景地形圖通常采用基于四叉樹的繪制方法。,27,第8章三維游戲技術(shù),三維游戲中的碰撞檢測 碰撞檢測是游戲引擎中不可回避的問題之一，只要場景中物體在移動，就必須判斷是否與其他物體相接觸。碰撞檢測的基本任務(wù)是確定兩個或多個物體之間是否有接觸或穿透，被給出相交部分的信息，如：相交部分的面片號、物體穿刺的深度等。設(shè)計(jì)健壯高效的碰撞檢測算法是游戲編程中的難點(diǎn)，盡管有關(guān)碰撞檢測的成果已經(jīng)很豐富，但是游戲場景中常常有成千上萬個面片，甚至包含數(shù)量大到內(nèi)存都無法容納的物體，在這種場景中進(jìn)行碰撞檢測，對碰撞檢測的算法提出了更高的要求，因此，針對大規(guī)模三維游戲場景