計算機圖形學在游戲領域上的應用

1、計算機圖形學課程設計綜述姓 名： 劉景新學 號：100108010050 專 業(yè)：信息軟件10-1計算機圖形學在游戲領域上的應用2一.計算機圖形學的定義 2二.視頻游戲的歷史3三.圖形學在游戲中的應用41.幾何學42 動畫53.繪制6四.總結8計算機圖形學在游戲領域上的應用計算機圖形學(Computer Graphics，簡稱CG)是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。它的研究分為兩部分：一部分研究幾何作圖，包括平面線條作圖和三維立體建模等；另一部分研究圖形表面渲染（Rendering）包括表面色調、光照、陰影和紋理等表面屬性的研究。目前，計

2、算機圖形學的應用已深入到真實感圖形、科學計算可視化、虛擬環(huán)境、多媒體技術、計算機動畫、計算機輔助工程制圖等領域。綜觀計算機圖形學的發(fā)展，我們發(fā)現圖形學的發(fā)展迅速，而且仍在快速的向前發(fā)展。并且已經成為一門獨立的學科，有著廣泛的發(fā)展前景。一.計算機圖形學的定義   計算機圖形學：(Computer Graphics。簡稱CG)是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。 計算機圖形學的主要研究內容就是研究如何在汁算機tI表示圖形、以及利用計算機進行圖形的計算、處理和顯示的相關原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和

3、灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的。如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。 計算機圖形學一個主要目的就是要利用計算機產生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質屬性下的光照明效果。同時，真實感圖形計算的結果是以數字圖像的方式提供的，計算機圖形學也就和圖像處理有著密切的關系。 計算機圖形學的研究內容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標準、圖形交互技術、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實體造型、真實感圖形計

4、算與顯示算法、非真實感繪制，以及科學計算可視化、計算機動畫、自然景物仿真、虛擬現實等。二.視頻游戲的歷史 視頻游戲一直以來都是計算機圖形學的一個重要應用方向，在介紹圖形技術的具體應用前先簡短介紹一下視頻游戲的發(fā)展歷史。1952年劍橋大學的A.S. Douglas為益智游戲Tic-Tac-Toe在EDSAC（延遲存儲電子自動計算機）上編寫了一個圖形游戲版本Noughts and Crosses。這是視頻游戲的雛形，游戲畫面用陰極射線管顯示。這個游戲只能實現圖形的顯示，還不能完全稱為視頻游戲。第一個具有里程碑意義的視頻游戲為1958年William Higinbotham在Brookhaven國家

5、實驗室的一臺示波器上實現的雙人網球游戲Tennis for Two。時間到了1962年，第一個面向電腦的視頻游戲Spacewar由Steve Russell在MIT PDP-1上發(fā)明。 早期的視頻游戲都不過是研究人員在實驗室里自娛自樂的產物。直到1971年Nolan Bushnell和Ted Dabney制作了第一臺投幣式的游戲機，大眾才開始接觸這個新奇的玩意。隨著Pong、Breakout和SpaceInvader等游戲的成功，越來越多的人開始關注計算機的娛樂應用。個人電腦和游戲機的普及對此也起了一定的推動作用。早期的游戲背景是不變的，玩家在一個固定的背景中進行游戲。雅達利1978年發(fā)售的體

6、育游戲Football引入了一種新的畫面顯示方式，背景會隨著玩家角色的移動而改變，這種顯示技術被稱作卷軸。卷軸很快成為了主流技術，80年代許多成功的游戲如日本任天堂公司的Mario系列都采用的這種技術。1975年矢量繪圖也由Larry Rosenthal引入到了游戲設計領域。借助這種技術，游戲設計者可以精確地繪制圖形，并且三維線框模型也成為可能。 3D游戲發(fā)端的歷史要早些，第一款3D游戲是1973年在加里福利亞的美國宇航局Ames研究中心的一臺Imlac PDS-1上誕生的，它的創(chuàng)造者是Steve Colley。這款叫Maze War的游戲在接下來的幾十年里有著數以千計的模仿者。 早期3D游戲

7、使用的是Flat-Shaded圖形學和簡單的材質貼圖。直到1996年，Voodoo公司推出第一塊面向個人電腦的3D圖形加速卡,它的出現使更精細的3D圖形出現在視頻游戲中成為可能。 視頻游戲的不斷發(fā)展在一定意義上也推動著計算機圖形學的不斷進步，現如今，完美的影像效果已成為視頻游戲必不可少的組成部分。三.圖形學在游戲中的應用 盡管有使用純文本界面的游戲，可那畢竟是早期電腦機能有限下的產物，現如今所有的游戲或多或少地都會有圖形界面。本文這一部分將在一下三個方面對圖形學的具體應用作介紹。1幾何學：表示和處理曲面的方法。2動畫：表示和操作運動的方法。3繪制：生成光影變換的算法。1.幾何學 幾何學研究的重

8、點是物體在三維空間內用一組離散數據集表示的方法。 視頻游戲著成百上千的物體，他們之間的互動是靠著外邊緣的碰撞進行的。鑒于此，邊界表示法（boundary representation）是常見的一種表示方法。 邊界里有三個主要部件：面（face），邊（edge），頂點（vertice）。面是表面的一部分，邊是曲線的一部分，頂點代表一個點。邊界表示法不僅可以對于實體進行很好的表示也可以表示非復合造型（non manifold）。非復合造型是一條邊由多于兩個面共享的圖形?？墒沁吔绫硎痉ㄓ幸粋€缺點就是不靈活，每一個物體都要重新制作模型，模型數量多了以后是個相當繁重的工作。一種新的表示方法應運而生CSG

9、（Constructive solid geometry）。CSG使用一些被稱作原始部件（primitives）的基本圖形，對他們進行基本的布爾運算如交集，并集等生成復雜的圖形。眾多的游戲引擎如Unreal Engine, Hammer, Torque, Quake等都使用了這項技術。 由面組成的圖形并不能很好地表現光滑的曲面。人們發(fā)現用一個個的三角形或者四邊形可以近似地表現曲面，于是多邊形網狀表示法（polygon mesh）誕生了。 為了取得更好的光滑表面，同時也為了節(jié)約人力。細分表面法（subdivision surface）被廣泛使用，這種遞歸的算法可以有比較粗的網狀面計算出較細的網狀

10、面。 近年來，一種把物體表示為一組點集的point-based1方法開始流行起來。這種建模方式的好處顯而易見，在視頻游戲的動態(tài)計算、碰撞檢測、可見性處理這些需要精確性的領域都可以得到很好的效果。當然對于標準矩形的物體還是用以前的方法好。對于樹木，云這些形態(tài)不固定的物體用point-based方法乃上上之選。云霧和樹葉在虛擬的風中可以進行更加自然的形態(tài)變換。2 動畫動畫的原理是騙過人的眼睛和大腦，使觀看著認為自己看到的是連續(xù)的畫面。傳統的方法是以至少每秒12幀的速度放映差別不大的圖片，這種方法比較復雜，若想表現精細的畫面十分地困難。3D模型的發(fā)明給了動畫更大的發(fā)展空間。動作捕捉（motion c

11、apture）技術應運而生。 技術最早是二十世紀七十年代和八十年代生物力學實驗室里用來分析照片的，近年來已廣泛應用在視頻游戲中。動作捕捉通過記錄運動物體的位置、角度、速度、加速度和沖量得到精確的數字移動。然后把得到的數據應用于模型骨胳（skeleton），得到精確的移動。動作捕捉技術主要分為光學和非光學兩大類。 系統通過運動對象上所設置的標記點（marker）的三角度位移來計算出對象的運動范圍。無源標記點（passive marker）點通過其表層的反射物質反射回攝像頭光來捕捉，攝像頭只對反射光敏感，會忽略人的皮膚和織物。有源標記點（active marker）并不反射光，由于其自身的LED可

12、以發(fā)光，通過捕捉其發(fā)射的光進行記錄。還有一種半自動細微標記點（semi-passive imperceptible marker）,主要用于自然光源下高速物體的捕捉。非光學系統主要有三種：通過生物機械模型和傳感器結合算法進行測量的慣性系統（inertial system）；通過直接跟蹤身體接合處角度變化的機械系統（mechanical motion）；通過磁通量計算方位的磁力系統（magnetic system）。 主流的捕捉方法還是光學形式，現今流行的游戲中都可以找到動作捕捉技術的身影。物理仿真（phisical simulation）是動畫領域近年來研究的重點，由于其屬于物理方面，本文就不

13、做介紹了。3.繪制 頻游戲之中最重要的部分也是最復雜的部分，相關技術層出不窮。簡單地說，繪制是把模型生成圖像的過程，生成的圖像帶有幾何學、視點（viewpoint）、材質（texture）、光照（lighting）、陰影（shading）的信息。在視頻游戲中有兩種繪制方法：事先繪制（pre-rendering）和實時(real time)。事先繪制的圖像一般用于游戲場景等不會改變的模型上，實時方法用的較為普遍，大多數游戲都采用這種方法。下面依次對繪制各個方面相關的技術做下介紹。1.陰影；不同，多了一個維度讓觀察者有了立體的感覺?，F實世界中物體與光源的角度，距離的不同會有不同的明暗變化，陰影技術

14、就是為了體現這種變化而產生的。早期陰影技術采用的是平面方法（flat shading），這種方法對每個多邊形進行漸變處理，可以很快速地得到圖像?？呻S著硬件的發(fā)展，平面法的速度優(yōu)勢已蕩然無存，更好的圖像效果才是追求的目標。以發(fā)明者Henni Gouraud 命名的Gouraud shading 2方法和 Bui Tuong Phong 命名的Phong shading 3方法成為主流的方法。2.材質貼圖；予模型更加精細的表面，就像是給一個白色的盒子包上五顏六色的包裝紙一樣。 層材質并不能很好地完成任務。這時便需要多層材質（multitexture），多層材質最廣泛的應用是凸凹貼圖（bump ma

15、pping4），通過這種方法?？梢院苋菀椎氐玫酱植诒砻娴囊曈X效果，Playstation、Xbox和大多數PC顯卡都支持這項技術。計算幾層材質疊加后最后屏幕顯示的像素的算法有很多，如最接近原則插值（Nearest Neighbor Interpolation），雙線性插值（Bilinear Interpolation），三次插值（Trilinear Interpolation）。其中最接近原則插值最快，但后兩個算法使用最為普遍。由于硬件把多邊形分成一個個三角形進行繪制，所以確保不同視角下貼圖的正確性十分必要。視頻游戲運用不同的方法來避免錯誤。如Doom使用限制游戲世界的物體都為水平或者垂直，避

16、免斜面的方法；Quake犧牲性能用一種折中的方法每過一定像素計算一次透視的正確性。3.霧；擬出來的霧可以很好的表示物體距離觀察者的遠近程度。由于光的散射，距離遠的物體會變得朦朧。這種吸引人的效果在游戲中應用地十分廣泛。 4.影子：在視頻游戲的世界中如何生成更好的影子一直是研究的一個熱點。最流行的做法主要有兩種：影子貼圖（shadow mapping）和陰影錐(shadow volume)。影子貼圖的原理是以光源的視角出發(fā)，用可視表面的深度創(chuàng)建shadow map，渲染畫面時把每個點都與shadow map進行比較，繪制出帶有影子的圖像。這種方法的缺點是在實時繪制的時候不如陰影錐5精確。提到陰影

17、錐就不得不提到id Software的游戲Doom3，該游戲采用了這種方法并取得了不小的成功而使之廣為流行起來的，由于游戲設計者John Carmack的影響力，這種方法又被稱為Carmacks Reverse。陰影錐的原理是通過光源和遮擋物的位置關系計算出會產生陰影的區(qū)域，然后對所有物體進行檢測，確定其受否受到了陰影的影響。這種實現方法雖然較好也有其不足之處，對處理器的依賴較為嚴重。 6.球星照明：個錐形的標準光源，大多數都是把光發(fā)射到四面八方的。球形照明便是一組實現這種真實光源算法的集合。常用的算法有：radiosity，ray tracing，beam tracing，cone trac

18、ing，path tracing，metropolis light transport，ambient occlusion，photon mapping和image based lighting。7.非現實繪制：n-photorealistic rendering，簡稱NPR）是為了拓展圖像表現的多樣性，采用各種各樣的技術使圖像顯示出與現實生活不相同的特性。最常見的一種NPR技術是被稱作卡通渲染的cel-shading或 toon shading的技術。這種技術通常用來模仿漫畫或者卡通中的平面風格，它通過在繪制中只選擇物體色彩的少數深淺變化來使模型表現出平面化的視覺效果。第一個使用這種技術的3D游戲是Jet Set Radio (2000)，之后游戲業(yè)界漸漸開始關注這種新技術對游戲表現形式的擴充，越來越多的作品采用了toon