3D游戏图形高级纹理映射及ogre材质和纹理映射

2020-03-01 278浏览

1.高级纹理映射
2.本次课程的主要内容 高级纹理映射 OGRE 中的材质和纹理映射
3.纹理映射（ texture mapping ） 纹理映射的基本原理 凹凸纹理映射 (bump mapping) 位移映射 (displacement mapping) 环境纹理映射 (environment mapping) 基于光照映射的快速绘制 (light mapping) 高级纹理映射技术总结
4.纹理映射  传统的几何造型技术只能表示景物的宏观形状，而无法有效地描述景物表面的微观细节。  纹理映射技术以纹理图像作为输入，通过定义纹理与物体之间的映射关系，将图像映射到简单景物几何形态上合成出具有真实感的表面花纹、图案和细微结构  将一个一维、二维、三维的纹理图像映射到几何物体上的过程
5.纹理映射  纹理映射的优势 ◦ 节省建模时间：对非常复杂的物体建模，需要使用复杂的建模工具和冗长的建模过程。使用纹理映射只需要对物体拍照。 ◦ 节省内存：精确的几何模型占用大量内存资源，使用纹理映射所需的只是图像的分辨率 ◦ 增强表面细节和场景的真实感：树木山石云雾等无法用纯几何模拟的自然景观。 ◦ 提高绘制速度：纹理映射实际上是一类将绘制流程从场景几何空间转换为图像空间的技术。
6.纹理映射 基于参数化的纹理坐标 glTexCoord*() 纹理空间 t 0, 1 指定每个顶点处的纹理物体空间 1, 1 (s, t) = (0.2, 0.8) A a c (0.4, 0.2) b 0, 0 B 1, 0 s C (0.8, 0.4)
7.纹理映射取址及反走样  为了获得某些特性，纹理坐标会超出图形引擎中采取的取址有四种模式： [0 1] 范围，  重复 : 对超出范对对部分对对对行重复对对 .(1.3,-0.4) 将采样 (0.3,0.6) 处的值  边界颜色：设置所有超越边界的纹素的值为给定的边界颜色。  截断：将超越所有边界的值截断到最近的边界。如 .(1.3,-0.4) 将采样 (1.0,1.0) 处的值  镜像：位于边界的部分沿边界作为镜像。如 (1.3,-0.4) 将采样 (0.7,0.4) 处的值
8.纹理映射 反走样技术中最常见的是 MIP 技术。 在图形引擎中一般能自动设置。 D3D demo
9.高级纹理映射  标准纹理映射：物体本身的颜色  凹凸纹理映射表面微结构 ◦ 法向扰动： Bump mapping ◦ 法向图： Normal mapping ◦ 任意细节扰动： Detail mapping ◦ 曲面的反射属性： Reflectance map  位移映射 ◦ 标准位移映射： Displacement mapping ◦ 视差位移映射： Parallax mapping ◦ 深度校正的位移映射： Z-corrected displacement mapping 环境影响  环境映射： environment  光亮图： Light mapping mapping
10.凹凸纹理映射（ Bump mapping ） 凹凸纹理映射 (Bump Mapping) 技术用来模拟粗糙物体表面凹凸不平的细节 , 如橘子 , 草莓 , 树皮等 . 并不改变物体几何，只是通过扰动法向达到效果
11.凹凸纹理映射 方法 1 ：记录有符号数（ bu,bv ），用于偏移法向 方法 2 ：记录高度场，用于差分计算法向。
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13.D3D demo
14.浮雕型凹凸纹理映射 (emboss bump mapping)  最简单  直接计算漫射光亮度而不是得到扰动过的法向向量。  不允许运用任何光照明模型  步骤 ◦ 对制半亮度对 ◦ 绘制反色半亮度图，纹理坐标朝光源方向稍微扰动 ◦ 将对果和对对对对点光照明计算对对对对对结果与纹理映射做乘积型融合操作
15.浮雕型凹凸纹理映射 (emboss bump mapping) 原始高度图光源在上左方向光源在上右方向
16.法向映射（ Normal mapping or dot3 bump mapping ）  是凹凸映射系列中最常用的技术。  输入法向图 , 记录扰动后的曲面法向  数据来源是高度图
17.法向映射（ Normal mapping or dot3 bump mapping ）  给出一个模型和一个法向图 ◦ 对每个多边形，光源向量变换到每个顶点处的局部切向空间坐标； ◦ 对每个像素，对插值后的光源向量进行归一化； ◦ 将光源向量与法向图中记录的法向点积，获得漫射分量； ◦ 插值半角向量，计算高光分量； ◦ 融合本身的纹理颜色，获得最后的效果
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20.法向纹理映射 + 简化几何
21.OGRE Demo
22.辐射度法向纹理
23.辐射度法向纹理
24.细节映射 法向纹理的来源除高度图外 , 也可以是物体表面的属性 , 如法向 , 颜色 , 材质等 . 这类纹理称为细节纹理 (Detail texture)
25.创建细节纹理过程  将高分辨率网格简化为低分辨率网格  参数化低分辨率网格 , 建立网格和细节纹理的一一对应  根据高分辨率网格的表面细节填充细节纹理
26.反射率映射（ Reflectance mappin g）
27.环境凹凸纹理映射  基本原理是利用凹凸纹理扰动环境映射的纹理坐标  一个凹凸纹理，一个环境纹理
28.位移映射 位移映射 (Displacement mapping) 使用高度图来模拟曲面的扰动 . 真正改变了物体的表面几何属性 , 而凹凸映射仅修正了曲面的法向量 .
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30.视差映射 (Parallax mapping) 绘制 C 时，利用视差纹理中的位移从 A 移到 B 。
31.视差映射
32.深度校正位移映射（ Z-correct displacement mapping ）  输入高度图 , 将象素的 Z 值沿相机方向位移  并不改变物体表面几何  缺点是在像素层次上修改深度值会关闭图形硬件的早期深度测试优化功能 , 极大地影响绘制效率。
33.对境对对对理映射对 (environment mapping)  环境映射有效模拟场景的反射现象的加速技术环境纹理  以景物的中心为固定的视点来观察整个场景  将周围场景的二维图像记录在以该点为中心的简单几何物体 ( 如球面 , 立方体和柱面 ) 上 , 以全景图像的方式提供了其中心视点处的场景描述 . 观察者反射光线物体
34.环境纹理映射  注意：并不在物体的每个点记录一个单独的纹理，而是为整个物体建立一个纹理图。  在反射方向存在扭曲变形现象，但是观察者并不注意。而且，对于一个大房间中的小物体，这种扭曲相当小。  物体不能反射自身。
35.环境纹理映射  三种重要的形式 : ◦ 立方体映射 ◦ 球面映射 ◦ 柱面映射  描述了环境纹理映射所寄存的纹理  决定纹理的生成方式和索引方式
36.实例
37.立方体映射  纹理保存在物体的立方体包围盒上。该立方体与世界坐标轴平行。  生成方式： ◦ 对于立方体的每一个面，以对对面对对成像平面，从物体的中心对对对对对对对对对对对对制整个世界。 ◦ 或者，在真对对世界中以相机拍对对对对对对对对六副对对对像；对 ◦ 对于物体可能处的位置，都生成一个立方体映射； ◦ 对于新的物体所处的位置，通过插值或扭曲生成新的立方体映射。
38.立方体环境映射（ Cube mapping ）  立方体纹理由 6 张不同纹理组成，每张纹理对应立方体一个面  立方体环境映射并不限于模拟精确的反射，也可以模拟镜面高光、漫反射和 Phong 光照明模型。  如果使用低分辨率的纹理，可以模拟粗糙的物体表面  局限性：当光源或场景物体的遮挡关系改变后必须重新生成
39.立方体映射 OgreDemo
40.球面映射 早期的球面映射版本称为 Lat/Long 映射（ 1976 ），它在物体中心放置一个球面。 改进方法： ◦对每对个对对理坐对 (s,t), 沿 -Z 对投射一根光对到球面，对对下它的反射方向的光亮度对对对对对对对对对对对 ◦ 等价于用一个平行投影的相机（长焦距、长距离）对一个反射球面对对对对对对对对行成像对对 ◦ 在获得球面环境纹理的同时，也获得了每个顶点的纹理坐标，从而建立物体表面顶点与球面环境纹理的对应关系（即表面参数化）。
41.球面环境映射 (Sphere mapping)
42.球面映射 绘制时，根据顶点的纹理坐标，底层 API 会自动插值生成物体表面每个点的纹理坐标。 由于这种参数化不是保面积变换，球面环境映射将产生某些变形。 球面环境映射的理想状况是相机和环境物体位于无穷远处。 ◦ 不适合于自身反射性质（它不是凸物体） ◦ 相机与其他物体不在无穷远处时不正确 ◦ 视点依赖性，即只适用于一个方向和一个相机
43.球面环境映射  具体使用步骤是： ◦ （ 1 ）设置球面环境纹理； ◦ （ 2 ）设置和打开球面环境纹理坐标的生成方式； ◦ （ 3 ）正确设置物体表面的法向，绘制物体。
44.球面映射实例 D3Ddemo
45.柱面映射（ Panaroma ） 全景图效果 难点：拼接
46.光照映射（ Light mappin g） 预计算光亮度，做为光照图 (Lightmap) 记录在场景顶点上。 光照图只调节基纹理图的亮度，直接
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48.光照映射 通过预先计算光照并保存为纹理，从而加速光照计算： ◦ 允许复杂的光照明计算 ( 如阴影、辐射度 ) 如何决定映射方式？ 如何生成纹理？ 如何进行实时绘制？ 原则：最小的纹理尺寸，最大化纹理重用
49.光照映射 通常需要对场景光场分别进行预计算（如光能对射度算法），生成全局的光照信息、高对对对对对对对对对对对对对对对对对光和阴影等，然后将场景中物体每个面上计算的光亮度作为纹理保存为光照图。 由于光照图本质上保留的是场景中光照的低频分量，因此无需逐个像素保存光亮度，光照图的分辨率可以相对较低。
50.局部光照计算
51.选择映射方式 难点：在预处理阶段，多边形的任意一个点必须与纹理上的某个点对应 . 因此，多边形数目不能太多。 方法： ◦ 将一组将近平面的多边形聚合成一个平面 ◦ 这些多边形对应的纹理可拼成一个大的纹理 ◦ 将纹理坐标保存在多边形的顶点上
52.光照纹理无光照场景光照映射造成的场景光亮度分布最终合成场景
53.光照映射 艺术家或者美工人员手工简单地绘制出光照分布，主要用于模拟艺术手法的绘制效果 .
54.光照映射 光照映射允许场景中物体的漫射颜色呈非线性变换，展现彩色光源和阴影等效果。 可模拟任意与视点无关的光照模型 也可以模拟特殊的镜面高光效果 对不同的场景，必须重新计算
55.单步多纹理实现光照映射（ 1 ）在预处理阶段创建二维光照数据，并保存为纹理。光照纹理中心区域最亮，从中心向外逐渐变暗；（ 2 ）绘制整个场景，此时仅进行普通的纹理映射；（ 3 ）对于场景中的每个光源；（ 4 ）对于场景中相对当前光源可见的多边形；（ 5 ）计算该多边形所在的平面；（ 6 ）根据光源的位置，平移与缩放纹理坐标，计算出多边形在光照纹理中的纹理坐标；（ 7 ）实行光照映射，将光照纹理与第 2 步计算的物体颜色融合。第 7 步是通过单步多纹理映射技术实现的。如果在预处理阶段将光照纹理与物体表面的预先纹理融合，可以省略第 2 步的纹理映射。
56.例子无滤波的光照映射带滤波的光照映射
57.例子无光照映射光照映射＋纹理映射
58.动态光照映射  本质上，光照图由预处理得到，因此，只适用于静态光照计算。  我们可以在运行时刻在线计算一个单独的动态光照纹理。  并将该纹理做为额外的纹理步骤添加到场景中
59.开门时：移动的阴影
60.动态局部光照的改变 1 ：重新创建纹理，简单，低效； 方法 2 ：改变光照图 方法 ◦ 相对于曲面，将光照图平移； ◦ 缩放到需要的大小 ◦ 调节物体表面的光亮度
61.雾化映射 实现途径：动态修正光照纹理 将雾状物体添加到场景中 计算它们与场景几何相交的部分，并将雾的密度做为动态光照图记录，映射与静态的光照图一致。 将雾化映射做额外的光照图，添加上去。
62.雾化光照纹理
63.过程式纹理与体纹理
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65.基于顶点的光照计算、基于像素的光照计算和光照映射优缺点比较
66.高级纹理映射技术总结
67.第一行（左起）：纹理映射、凹凸映射、位移映射；第二行（左起）：纹理映射线框表示、凹凸映射线框表示、位移映射线框表示；第三行（左起）：常规纹理、凹凸纹理。
68.OGRE 中的材质和纹理映射的材质（ Material ） OGRE 中的纹理层（ TextureLayer ） 材质管理器（ MaterialManager ） 材质脚本 Ogre
69.Ogre 的材质（ Material ）  Material ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ 类包括如下几类属性：基本的表面材对对属性，如对对对对对不同对对对色的反射率、高光系数等：对对对对对对对对对对对组成 Material 的纹理层纹理之间的混合（ Blend ）方式深度缓冲设置 Culling 模式纹理过滤方式（三线性过滤、双线性过滤）是否受光照影响 Shading 选项雾化  其中第二条的纹理层可以有多个，内部定义了 TextureLayer 类。 Ogre 在 Material 类的
70.纹理层 一个纹理层可以是一幅静止的图像，也可以是一幅以某种方式运动的图像，还可以是由多幅图像组成的动画。它可以实现多种纹理特效，如 BUMPMAP 、环境帖图、运动的纹理。
71.材质管理器（ MaterialManage r）  MaterialManager 类负责管理 Material 库。和材质相关的类图如下： MaterialManager Material 1  0..n TextureLayer 1 0..n MaterialManager 还负责分析 Material 脚本（ Material Scrip t ），从而初始化 Material 的属性。下面我们来分析一下 Ogre 提供的材质脚本语言。
72.Ogre 的材质脚本材质脚本的默认扩展名为 .material ，也可以通过 MaterialManager 类的 parseAllSources 方法来规定新的扩展名。 系统初始化时会自动分析所有的材质脚本文件，并设置材质的属性。 注意，这里只设置材质的属性，并不会将材质的纹理调入内存，因为那样会招致极大的内存消耗！ Ogre
73.材质的例子简单的材质： material VerySimple { technique { pass { diffuse 0.5 0.5 0.5 } } } 脚本内部的嵌套关系：材质包含了技术，而技术包含了通路。通路中定义了漫反射参数。
74.示例一：环境帖图  在场景中显示一个 OGRE 头，并设置其表面材质为环境帖图，该环境帖图的属性在 Example.material 中设置。我们先看一下 createScene() 函数的代对： void createScene(void) { // 设置环境光 mSceneMgr->setAmbientLight(ColourValue(0.5, 0.5, 0.5)); // 创建一个实体（ OGRE 头） Entity *ent = mSceneMgr->createEntity("head", "ogrehead.mesh"); // 设置实体的材质 ent->setMaterialName("Examples/EnvMappedRustySteel"); // 将实体附属到场景根结点上 mSceneMgr->getRootSceneNode()->createChild()->attachObject(ent); }  在这里， Entity 的成员函数 setMaterialName 是关键，字符串类型的参数对应材质脚本中的材质名。 "Examples/EnvMappedRustySteel" 就是材质名，它在 Example.material 文件中定义了环境帖图
75.示例一：环境帖图 material Examples/EnvMappedRustySteel   {  technique  {  pass  {  texture_unit  {  texture RustySteel.jpg  }  texture_unit  {  texture spheremap.png  colour_op_ex add src_texture src_current  colour_op_multipass_fallback one one  env_map spherical  }  }  }  }
76.示例一：环境帖图  从这个例子中我们可以发现使用脚本来定义材质非常方便。 ◦ 首先，脚本采用类 C++ 的语法，以｛｝作为分隔符，以 // 作为注释符。每一个 Material 必须有一个名字，在这个例子中就是 Examples/EnvMappedRustySteel ，它对应一个材质。脚本规定一个命令占一行，不可以串行。  Ogre 为其材质脚本定义了许多关键字（命令），用来设置材质属性。 ◦ 如上例中的“ ambient” 与“ diffuse” 就是关健字，分别设置材质对环境光和散射光的反射率。在 Material 定义中嵌套一个 “｛｝”，就代表一个纹理层，你可以在大括号中定义纹理层的属性，上例中有两层纹理，下层简单的显示了一幅名为“ RustySteel.jpg” 的图像，上层纹理采用了环境帖图并设定了两层纹理的混合方式为颜色相加。
77.示例二： Example.material 分析并尝试更改 Ogre 运行环境中的 Example.material 文件，并在 Ogre 提供的演示 TextureFx.exe 中观察效果。 下面列出的是 TextureFx.exe 中用到的三个材质的定义： ◦ 流动的水的特效 ◦ 大小正弦波影响的特效 ◦ 对理流对对的管道对对
78.流动的水的特效 // 流动的水的特效 Examples/TextureEffect3 { ambient 0.2 0.2 0.2 // 关闭硬件拣选与软件拣选，即双面渲染 // 硬件拣选，由硬件渲染器负责。基于画三角形的方式（顺时针，逆时针）。// 软件拣选，在前几个信息改善到硬件器之前，进行拣选。基于三角形的前和后（由三角形的向量决定）。 cull_hardware none cull_software none // 水用了两层纹理 // 纹理层 0 { texture Water01.jpg scroll_anim -0.25 0.1 } // 纹理层 1 { texture Water01.jpg scroll_anim -0.1 0.25 // 纹理层 1 与纹理层 2 之间的混合方式， add 代表两对对对色相加。对对对 colour_op add } }
79.大小正弦波影响的特效 // 大小正弦波影响的特效 Examples/TextureEffect1 { ambient 0.75 0.75 0.75 // 关闭硬件拣选与软件拣选，即双面渲染 // 硬件拣选，由硬件渲染器负责。基于画三角形的方式（顺时针，逆时针）。 // 软件拣选，在前几何信息改善到硬件器之前，进行拣选。基于三角形的前和后（由三角形的向量决定）。 cull_hardware none cull_software none // 纹理层 0 { // 纹理图的文件名 texture BumpyMetal.jpg // wave_xform 指定一个波形函数，来对指定的纹理层属性（ scale 或 scroll 或 rotate ）产生影响 // wave_xform < 纹理层的某个属性 > < 波形 >< 频率 > < 相位 > < 振幅 > // 下面对＝句可以解对理成：对的理的对度对＊对正对弦对波当前的对对对对 (base+sine) wave_xform scale_x sine 0 0.1 0 5 // 旋对速率＝旋速率＋对正弦波当前的对 // wave_xform rotate sine 0.1 0.1 0 5 } }
80.纹理流动的管道 // 纹理流动的管道 Examples/TextureEffect2 { scene_blend add { texture Water02.jpg scroll_anim 0.5 0 } }
81.材质脚本关键字说明 ambient 设置材质的环境光反射属性 ◦ 格式 : ambient在 0.0 和 1.0 之间取值。直接影响物体材质对环境光反射能力。默认值为白色（ 1.0 1.0 1.0 ）。 diffuse 设置材质的漫反射属性 ◦ 格式 : diffuse在 0.0 和 1.0 之间取值。直接影响物体材质对漫射光的反射属性。默认值为白色（ 1.0 1.0 1.0 ）。
82.材质脚本关键字说明 specular 设置材质的镜面反射属性 ◦ 格式 : specular在 0.0 和 1.0 之间取值， shininess 属性可以是任何正数。直接影响物体材质的镜面反射属性。默认值为无镜面反射（ 0.0 0.0 0.0 0.0 ）。 emissive 设置材质本身的发光程度 ◦ 格式 : emissive在 0.0 和 1.0 之间取值。如果一个物体自发光，它将不需要外界的照明，但是，值得注意的是这不表明这个物体将会成为一个光源：它只会照亮自己。默认是黑色（ 0.0 0.0 0.0 ）。
83.材质脚本关键字说明  scene_blend 形式设置与场景的混合方式，有两种 ◦ 格式 1: scene_blend对个格式比对对对对常用一些，参数意义如下：对对对对对对对对对对对  add 渲染的结果将被以相加的方式加入场景之中，与 scene_blend one one 等价。对爆炸，火焰，光照，幽灵等效果比较好。  Modulate 渲染的结果与场景相乘。对烟、玻璃杯和单个的透明物效果较好。与 scene_blend src_colour one_minus_src_colour 等价。  alpha_blend 渲染结果中的 Alpha 成员将被用作遮罩。与 scene_blend src_alpha one_minus_src_alpha 等价。  默认值 : scene_blend one zero ( 不透明 )
84.材质脚本关键字说明格式 2: scene_blend麻烦，但是比较完善。结果的计算公式为 (texture * sourceFactor) + (scene_pixel * destFactor) 其中 sourceFactor 和 destFactor 如下：           One 常数 1.0 Zero 常数 0.0 dest_colour 当前点的颜色 src_colour 纹理对应点的颜色 one_minus_dest_colour1 - (dest_colour) one_minus_src_colour1 - (src_colour) dest_alpha 当前点的 Alpha 值 src_alpha 纹理对应点的 Alpha 值 one_minus_dest_alpha1 - (dest_alpha) one_minus_src_alpha1 - (src_alpha)  默认值 : scene_blend one zero ( 不透明 )
85.材质脚本关键字说明 depth_check 是否开深度测试 ◦ 格式 : depth_check默认打开深度缓存。有助于判断两个点的遮挡关系和前后关系，体现三维立体感。是否允许对已经存在的深度缓存进行写操作 depth_write ◦ 格式 : depth_write◦ 默认允许，关掉的话，则被关的 Material 会一直浮动在所有物体前面。
86.材质脚本关键字说明  depth_func 当深度缓存打开的时候，挑选一个比较函数 ◦ 格式 : depth_func        always_fail 从不比较 always_pass 总是用新的换掉旧的 less 新的比旧的小就换掉 Less_equal 新的小于等于旧的就换掉 equal 等于就换掉 not_equal 不等于就换掉 greater_equal 新的大于等于旧的就换掉 greater 新的比旧的大就换掉  默认为 : 小于等于就换掉 depth_func less_equal
87.材质脚本关键字说明 ull_hardware 设置硬件 Cull 模式 ◦ 格式 : cull_hardware◦ 默认顺时针 Cull 。这与 OpenGL 的默认是一样的，但和 D3D 的默认相反。（因为 Ogre 用的是 OpenGL 采用的右手坐标系）  cull_software 设置软件 Cull 模式 ◦ 格式 : cull_software◦ 默认背面。相当于硬件 Cull 模式的顺时针。  lighting 光照 ◦ 设置动态光照是否为此材质打开。如果关掉，将使材质本身的所有的 ambient, diffuse, specular, emissive 和 shading 属性无效，仅仅与外界的光照有关。 ◦ 格式 : lighting◦ 默认 : lighting on 
88.材质脚本关键字说明  shading 阴影模式 ◦ 格式 : shading◦ Flat 每个表面仅仅用一个颜色填充 ◦ gouraud 线性过渡表面颜色 ◦ phong 并非所有的硬件都支持，这种模式测定每一个顶点的颜色。 ◦ 默认 : shading gouraud  filtering 设置纹理过滤方式 ◦ 格式 : filtering◦ 默认是双线性（ bilinear ）
89.纹理层专用属性  texture 设置纹理要使用的图名 ◦ 格式 : texture◦ 无默认值，必须指定一个纹理名。  anim_texture 动画纹理 ◦ 设置动画纹理使用的图片文件名。 ◦ 格式 1 ( 短的 ): anim_texture 指定一个图片名称，以这个名称后缀 _1 、 _2 一直到 _num （由 num_frames 指定）， duration 指定间隔时间。 ◦ 格式 2 ( 长的 ): anim_texture... 一个一个指定图片名称， duration 指定间隔时间。 ◦ 无默认值
90.Q&A?