淺談虛擬演播技術(shù)中的真實(shí)性表現(xiàn)

淺談虛擬演播技術(shù)中的真實(shí)性表現(xiàn)

一、對(duì)光效圖進(jìn)行梳理與描述在影子成像技術(shù)所表達(dá)的幾乎真實(shí)的虛擬場(chǎng)景之后，使用復(fù)雜的光度學(xué)，如曼特爾、羅伯特和羅伯特。采用光線跟蹤、全球光度成像和光能映射等復(fù)雜光度學(xué)算法。獲得真實(shí)的單幅后，后期合成，生產(chǎn)期長(zhǎng)。虛擬演播室系統(tǒng)所使用的渲染引擎為達(dá)到實(shí)時(shí)渲染的幀頻,顯然無(wú)法使用影視制作這樣的離線渲染方式。只能采用簡(jiǎn)單光照模型,且無(wú)法使用各種離線算法,使得虛擬演播室場(chǎng)景在效果上打了折扣?；趯?shí)時(shí)渲染引擎的特點(diǎn),比較常見(jiàn)的光感表現(xiàn)方法有兩種。一是使用光效貼圖來(lái)模擬光效,常用的是使用帶通道的光效圖,利用虛擬引擎的時(shí)間線制作紋理動(dòng)畫(huà)來(lái)模擬流光效果,這種方法比較簡(jiǎn)單通用,效果取決于對(duì)光效圖的整體把握。效果相對(duì)更好的方法是采用環(huán)境貼圖,圖1是ORAD虛擬演播系統(tǒng)采用環(huán)境貼圖的實(shí)例?？梢?jiàn),通過(guò)簡(jiǎn)單的環(huán)境貼圖設(shè)置,可以很好地模擬反射的光照效果。但需要注意的是,雖然做法類(lèi)似,這里環(huán)境貼圖的和Mentalray等離線渲染器做HDR渲染還是不一樣的。虛擬演播系統(tǒng)的實(shí)時(shí)渲染引擎只是將環(huán)境貼圖做UV變形后與物體原紋理相混合(加性處理),而不是真正計(jì)算了光照反射。表現(xiàn)光感的另一種基本方法是“烘焙(bake/rendertotexture)”。一個(gè)虛擬場(chǎng)景的實(shí)際渲染效果,一方面取決于其本身的材質(zhì)貼圖,另一方面光照陰影也至關(guān)重要。虛擬演播系統(tǒng)的實(shí)時(shí)渲染引擎只能正確渲染場(chǎng)景物體的位置和材質(zhì)信息,對(duì)于離線建模軟件設(shè)置的光照等渲染屬性不做處理,導(dǎo)致了場(chǎng)景最終與離線渲染的設(shè)計(jì)效果相差甚遠(yuǎn)?！昂姹骸奔词墙鉀Q此問(wèn)題的一個(gè)基本方法,通過(guò)3dsMax、Maya中對(duì)渲染單元的設(shè)置,將場(chǎng)景中的光影信息離線渲染至場(chǎng)景物體的紋理材質(zhì)上,使場(chǎng)景在導(dǎo)入虛擬演播系統(tǒng)時(shí),除其本身的紋理材質(zhì)外,將整個(gè)場(chǎng)景的光影效果一起攜帶,這樣,實(shí)時(shí)渲染的虛擬場(chǎng)景,能夠近似達(dá)到原先的設(shè)計(jì)效果。然而,各離線渲染器對(duì)于烘焙這一技術(shù)的支持度不盡相同,且大多數(shù)只支持簡(jiǎn)單光照模型下的掃描線算法(scanline),這使得光能映射、光線追蹤、散焦這些離線渲染的利器無(wú)法使用,效果也只能算是中規(guī)中矩,光感豐富但真實(shí)感依然欠佳。通過(guò)對(duì)Vray渲染器相關(guān)功能的一些摸索,筆者發(fā)現(xiàn)Vray的一些設(shè)置可以用于烘焙技術(shù),下面是Vray渲染的效果圖和烘焙后實(shí)時(shí)渲染引擎中的渲染效果(測(cè)試場(chǎng)景取自EvermotionArchInterior資源)。圖4中可以看到,即使事先計(jì)算了40M的光子圖(photonmap),Vray渲染器依然用了5分多鐘來(lái)渲染單幀,說(shuō)明離線渲染算法是不可能用于實(shí)時(shí)渲染引擎的。另一方面,烘焙后場(chǎng)景在虛擬演播系統(tǒng)中的表現(xiàn)與Vray效果圖幾無(wú)區(qū)別,這證明了通過(guò)細(xì)致調(diào)節(jié)渲染參數(shù),利用烘焙技術(shù)完全可以產(chǎn)生足夠真實(shí)的虛擬場(chǎng)景。二、實(shí)時(shí)染化技術(shù)光效貼圖和紋理烘焙兩種方法結(jié)合使用,可以解決很大一部分虛擬演播室場(chǎng)景設(shè)計(jì)上的問(wèn)題,而且處理手段都不復(fù)雜。然而,我們還是要追求有關(guān)光感、有關(guān)光線折反射更深入的解決方案。事實(shí)上,實(shí)時(shí)渲染(realtime-rendering)作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)重要分支,從上世紀(jì)70年代末開(kāi)始得到了一次又一次的技術(shù)推進(jìn),隨著近年來(lái)算法的演進(jìn)和硬件的增強(qiáng),在場(chǎng)景漫游、游戲設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)成為難以撼動(dòng)的基石。本質(zhì)上說(shuō),虛擬演播系統(tǒng)的渲染引擎和三維游戲的圖形引擎并無(wú)不同,因此,金屬的反射、水晶的折射這些復(fù)雜效果應(yīng)該完全可以用實(shí)時(shí)渲染引擎自己的特性來(lái)表現(xiàn)。我們不妨借鑒其他領(lǐng)域,看看同為實(shí)時(shí)渲染,別的引擎上使用了怎樣的技術(shù)。Cryengine2是Crytek開(kāi)發(fā)的游戲引擎,極具真實(shí)感的圖形部分使其被廣為稱(chēng)贊,圖6中水面的倒影栩栩如生,令人嘆服。實(shí)時(shí)渲染引擎能夠達(dá)到如此逼真的效果,得益于GPU技術(shù)的發(fā)展。GPU和CPU的分離,使有關(guān)圖形處理的運(yùn)算從CPU中解放出來(lái),從架構(gòu)上提升了系統(tǒng)處理圖形的能力,形成了如下的流水線模型(摘自NVIDIA官方手冊(cè))。從頂點(diǎn)變換到光柵化操做,這樣的流水線按部就班地完成了傳統(tǒng)圖形處理的全過(guò)程。雖然性能提高了,但效果上卻沒(méi)有改進(jìn)。為了進(jìn)一步為實(shí)時(shí)渲染提供效果上的提升,可編程渲染管線被提出,在原先頂點(diǎn)處理階段和像素處理階段加入了片段程序以介入渲染過(guò)程,改進(jìn)后的流水線如圖8所示。相應(yīng)的,用于片段程序的描述語(yǔ)言被開(kāi)發(fā)出來(lái),稱(chēng)為ShadingLanguage,如微軟的HLSL、OpenGLARB的GLSL,以及NViadia的Cg(Cforgraphics)。下面以實(shí)時(shí)渲染環(huán)境下的反射模擬來(lái)說(shuō)明這樣一種光感表現(xiàn)方式。GPU運(yùn)算下的環(huán)境貼圖算法(EnvironmentMapping)如圖9所示。根據(jù)入射角度和物體表面法線方向,計(jì)算出反射光線,將其投射至作為環(huán)境的貼圖上,查詢(xún)相應(yīng)的像素值,與物體表面的像素值按反射率進(jìn)行混合,算法和部分代碼如圖10所示(開(kāi)發(fā)環(huán)境MicrosoftVisualC++2008)。同時(shí),渲染引擎根據(jù)物體位置動(dòng)態(tài)生成環(huán)境貼圖(cubemap),用這種方法可以生成場(chǎng)景中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反射。圖11是在OGRE渲染引擎中,對(duì)上述想法的簡(jiǎn)略實(shí)現(xiàn),圖12是使用烘焙技術(shù)制作的反射效果?？梢钥闯?烘焙方式產(chǎn)生更為柔和的反射效果,但是當(dāng)物體位置發(fā)生改變之后,其表面的光影信息由于固化在物體的材質(zhì)貼圖中,不會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。而GPU編程實(shí)現(xiàn)的反射則可以根據(jù)物體的位置角度、甚至反射率做相應(yīng)變化,相比之下更為真實(shí)。三、虛擬場(chǎng)景的表現(xiàn)問(wèn)題雖然對(duì)于虛擬演播系統(tǒng)的表現(xiàn)效果有多種評(píng)價(jià)方式,然而大家對(duì)于真實(shí)感總有永無(wú)止境的追求。至此,本文介紹了包括光效貼圖、烘焙貼圖以及GPU編程多種增強(qiáng)實(shí)時(shí)渲染環(huán)境下虛擬場(chǎng)景光感的手段,希望能夠?yàn)樘摂M演播室效果的提升提供一些思路。必須說(shuō)明的是,GPU編程的實(shí)現(xiàn)方式相比前兩種復(fù)雜得多,且對(duì)于目前虛擬演播系統(tǒng)的實(shí)時(shí)渲染引擎,能否支持GPU程序還有待考察,相關(guān)的接口也許還需要開(kāi)發(fā)。然而,在保持操控性的同時(shí),堅(jiān)持跟上實(shí)時(shí)渲染的技術(shù)進(jìn)步,應(yīng)當(dāng)是虛擬演播技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。因此,掌握更多更新的制作手段,以不斷提高場(chǎng)景的真實(shí)感和表現(xiàn)力,也應(yīng)當(dāng)是我們努力的目標(biāo)。近年來(lái),隨著色鍵處理技術(shù)的進(jìn)步,攝像機(jī)跟蹤定位技術(shù)的成熟,以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展,虛擬演播技術(shù)得到了更多更廣泛的實(shí)踐。電視節(jié)目也得以在相對(duì)低廉的制作成