3D游戏图形游戏特效技术

2020-03-01 137浏览

1.游戏中的特效生成
2.本次授课内容 阴影生成技术 过程式建模技术 常见特效实现 Billboard
3.提纲 阴影的必要性 阴影术语 常用实时阴影的绘制方法 ◦ 投影阴影 (projection shadow) ◦ 阴影纹理 (shadow texture) ◦ 阴影体 (shadow volume) ◦ 阴影图 (shadow map) ◦ 阴影体与阴影图的比较
4.阴影的必要性 增加场景真实感 帮助理解物体的位置关系无阴影硬阴影软阴影
5.阴影术语 •遮挡体 (occlude) •接收体 (receiver) •本影 (umbra) •半影 (penumbra)
6.阴影术语（续）  硬阴影 (hard shadow) ◦ 点光源产生 软阴影 (soft shadow) ◦ 线光源、面光源或体光源产生 ◦ 随着光源变大，软阴影的本影区会逐渐变小，甚至消失 ◦ 常对硬阴影边缘模糊处理，制造伪软阴影
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8.投影阴影（ projection shadows)  对三维物体进行两次绘制，得到其投影到某平面上的矩阵  接收面软y=0 的投影矩阵计算：设光源的位置为 l ，需要投影的顶点为 v ，投影点为 p ，可得 p 点的 x 坐标： l y vx  l x v y px  l x l y  0  � px  vx  l x l y  v y ly  vy 同理，可以计算得到 p 点的 z 坐标投影： pz   l y vz  l z v y  /  l y  v y  因为 y 坐标投影为 0 ，这样得到投影矩阵 M：接收体平面 y =0 ly � � 0 � M �0 � �0 � lx 0 0 lx 0 ly 1 0 0� � 0� 0� � ly � �
9.投影阴影（续）  接收面为 n·x+d =0 的投影矩阵计算： p 的投影点为： d  n �l pl ( v  l) n �(v  l) 转化为矩阵形式，我们得到投影矩阵 M ： n �l  d  lx nx � � l y nx � M � lz nx � � n x � lx n y n �l  d  l y n y lz n y ny lx nz l y nz n �l  d  lz nz  nz lx d � � l y d � l z d � � n �l � �
10.投影阴影绘制 将投影矩阵应用到遮挡物体，然后以无光照和较黑的颜色绘制投影物体。 应避免投影多边形和接收体平面重合的情形发生，否则会发生绘制错误并闪烁。 ◦ 方法一：给接收体平面加一定的偏移量 ◦ 方法二：先绘接收体平面，然后在关掉 zbuffer 的情况下绘制投影多边形 ◦ 意外情况：投影多边形落在接受体平面外面  解决方法：使用 stencil buffer
11.投影阴影缺陷 • • • • • 只适合平面阴影接受体。会产生反影错误左：正确阴影右：反影即使阴影没有发生变化，对于每一帧，阴影也必须重新绘制。 • 解决办法：阴影是与视点无关的，一个实用可行的方案为把阴影绘制成一幅纹理，只在光源、遮挡物和接收体发生变化时才重绘阴影纹理。
12.阴影纹理（ shadow textur e） 将平面投影阴影扩展到曲面：将生成的阴影图像作为一个纹理，应用到曲面上
13.阴影体 (shadow volume) • 给定一个点和一个三角形，连接该点和三角形的顶点并延伸，可得到一无限的金字塔。 • 如果给定的点为光源，则物体在截头无限金字塔之内的任何部分为阴影。因此称截头无限金字塔为阴影体 (shadow volume)
14.阴影体（续） 遮挡体和光源投射生成阴影体 ◦ 在阴影体内的物体处于阴影状态
15.阴影体二维剖面图遮挡体光源视点 ( 注意：阴影是与视点无关的部分被遮挡物体 ) 阴影体外的表面 ( 受照明 ) 阴影体 ( 无限延伸 ) 阴影体内的表面 ( 处于阴影范围 )
16.z-pass 算法  从视点向物体引一条视线，当这条射线进入阴影体（穿过其正面）时， stencil 值加一，这条射线射出阴影体（穿过其背面）时 stencil 值减一  如果 stencil 值为零，表示物体不在阴影里计数 =2 ，在阴影中
17.z-pass 具体步骤： enable z-buffer write ，绘制整个场景，得到关于所有物体的 depth map  Pass2 ： disable z-buffer write ， enable stencil buffer write, 然后绘制所有的阴影体。对于阴影的正向多边形 ( 即面对视点的这一面 ) ，如果深度测试的结果是 pass, 那么和这个象素对应的 stencil 值加一。如果深度测试的结果是 fail, stencil 值不变。而对于阴影体的背面 ( 远离视点的一侧 ) ，如果深度测试的结果是 fail, stencil 值减一，否则保持不变。  Pass1
18.z-pass 算法缺陷 视点在阴影体中时会导致错误
19.z-fail 算法 由 John Carmack ， Bill Bilodeau 和 Mike Songy 各自独立发明 解决视点进入 shadow volume 后 z-pass 算法失效的问题。 基本想法：光线穿过的阴影体正面数量小于背面数量，则该点位于阴影中
20.z-fail 算法（续）
21.z-fail 算法步骤： enable z-write/z-test, 绘制整个场景，得到 depth map 。 ( 这一步和 z-pass 的完全一样 )  Pass2 ： disable z-write, enable ztest/stencil-write 。绘制阴影体 , 对于它的背面，如果深度测试的结果是 fail, stencil 值加一，如果深度测试的结果是 pass, stencil 值不变。对于正面 , 如果深度测试的结果是 fail, stencil 值减一，如果结果是 pass, stencil 值不变  Pass1
22.阴影体使用实例最终场景 Stentil Buffer
23.D3D_demo
24.阴影图（ shadow map ）  Williams 1978  基本思想：场景中的阴影就是从光源角度来看，不可见的区域。  以光源为视点，绘制 depth map ，用深度测试判断某一点是否对光源可见（被照亮）光源视棱锥阴影图 (depth buffer)
25.阴影图具体步骤：以光源为视点绘制一 depth map ，称为阴影图  Pass2 ：以相机为视点绘制最终场景，将可见点转化到光源坐标系中，将其 z 值与阴影图中的相应点比较，（几乎）相等，则该点被照亮 ; 大于，则该点处于阴影中  注意：阴影图的 depth map 是以光源为视点，阴影体的 depth map 是以相机为视点  Pass1
26.阴影图具体步骤（续） B A      z_ls = 光源到点 A 的距离 z_sm = 软影软软中保存的深度软软软软软软如果 z_ls = z_sm 点 A 被照亮如果 z_ls > z_sm 点 A 在阴影中软然，软软里，点软软A 与点 B 对应同一个 z_sm ，点 B 是被照亮的，而点 A 处于阴影中
27.阴影图算法的问题 偏移量（ bias) ◦ 阴影图是点采样方法，阴影图中的 z 值与被照亮点的 z 值会存在一定偏差 ◦ 解决方法：在深度比较中加入一个偏移量 ◦ Bias 的设置：过大或过小都会导致错误结果 Bias 太小，“阴影痤疮” Bias 太大，“阴影泄
28.阴影图算法的问题（续） 走样 (alias) ◦ 视点拉近阴影边缘 ◦ 大型场景 ◦ 视点与光源方向相对 ◦ 光源与接收面接近平行 解决方法 ◦ 提高阴影图有效分辨率 ◦ 与阴影体算法相结合 ◦ 对阴影边缘进行模糊，制作伪阴影
29.阴影体 vs 阴影图 都支持动态场景，且有硬件支持 阴影体 ◦ 几何空间 ◦ 高带宽占用，高填充率 ◦ 精度高 阴影图 ◦ 图像空间 ◦ 低消耗 ◦ 精度很大程度受阴影图分辨率制约
30.Ogre 阴影技术 阴影技术支持两种主流的动态阴影技术—— 模板阴影以及纹理阴影——并且这两种阴影技术都分别拥有两个形态：调节（ Modulative ）和加成（ Additive ）。 Ogre
31.Ogre 阴影 · ogre 在场景中只能统一使用某一种类型的阴影技术，并且需要在场景渲染之前就配置好它（理想的情况下，在创建场景管理器实例之前就配置好阴影类型）。 · 在装配场景之前需要配置所需阴影技术，这就意味着需要调用场景管理器的SceneManager::setShadowTechnique()方法，并传入 SHADOWTYPE_STENCIL_ADDITIVE 、 SHADOWTYPE _STENCIL_MODULATIVE 、 SHADOWTYPE_TEXTURE _ADDITIVE 或者 SHADOWTYPE_TEXTURE_MODULATIVE 四个参数中的任意一个。 · 阴影在默认的情况下是禁用的。
32.Ogre 阴影 · 阴影的产生和接受可以通过物体的材质来控制；进而你可以单独控制物体上的阴影投射。在阴影技术启用默认的情况下，除了透明和半透明的物体之外，所有物体都是可以产生阴影的，并且你也可以通过对透明和半透明材质的配制而让其产生相应的阴影。 · 由于模板阴影本身的性质，对透明 / 半透明物体来说阴影只能是完全投射或者不投射的，换句话说只能产生完全的实影或者没有影子；除非使用纹理阴影类型（在默认的情况下是半透明的），否则无法产生半透明的阴影。 · 灯光可以被设置是否能产生阴影。这是可以对每个灯光单独设置的属性。 mSunLight- >setCastShadows(true);
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34.Billboard  在三维场景中，渲染三维物体很耗资源 2 维平面来模拟三维模型， Billboard 就应运而生。  基本原理：将一幅包含物体图像的图片映射到一个二维的矩形上，在渲染时根据观察方向旋转这个矩形，使其始终面向观察者，从而使得观察者感觉看到的是一个三维物体  因为物体的图像通常是不规则矩形的物体，譬如树，所以需要将矩形图片中不包含图像的部分处理成完全透明，渲染软软启用软 alpha 混合。  可利用
35.Billboards （适用于室外场景）其实一个非常极端的 LOD 简化方法，将所有的几何简化为一个或者多个带纹理的多边形。  Billboard ◦ 可以看做一种基于图像的绘制方法 ◦ 本质上，所有基于图像的方法都是为了代替几何  如何设计 billboards 呢？ ◦ 他们是如何生成的 ? ◦ 他们如何绕观察者旋转？ ◦ 如何改进它们 ? sprites （三维精灵） , 是一个总是平行于成像平面的精灵  这种方法也叫
36.生成 Billboards  手工 – 软软的软软软软工作者软 ◦ 绘制颜色和透明度 ◦ 然后生成一系列动画  自动生成 : ◦ 绘制复杂模型，并将结果图像保存为 billboard ◦ 透明度可以自动地从背景象素和前景图像中检测出来
37.Billboard 配置  表示 ◦ ◦ ◦ ◦ billboard 的多边形可以被放置成不同的方式单个四边形两个垂直的四边形沿着公共轴的多个四边形几个层叠的四边形  问题是 : ◦ 对于何种物体，选择何种 billboards 表示呢 ? ◦ 如何选择 billboard 使得它总是面向观察者 ? ◦ 如何绘制 billboard?
38.单个多边形表示的 Billboards 由单个带纹理映射的多边形表示  它必软软永软软指向软软软察者，否软软软软软在某些软软软软点软软会消失软软  Billboard ◦ 除非： Billboards 都是带纹理的封闭的墙！  两个最主要的排列 Billboards 的方式 : ◦ 对 billboard 分配一个 up 方向 , 并且使得它总是与观察者的 up 方向平行 ◦ 将 billboard 绕一个中心轴旋转，使得它总是面对观察者
39.关于轴对齐是 billboard 的轴 , V 观察者的 X 方向 , F 是当前 billboard 的朝向 , D 是需要的朝向 A A V F D D 的计算方法： D  A V A F 与 D 的夹角：  FD    cos   F D   1
40.多个多边形组成的 Billboards  使用两个四边形 : ◦ 与观察者不平行  四边形越多，效果越好  绘制时有两个选项 : 融合操作或者仅仅做深度比较
41.视点依赖的 Billboards  当物体不是旋转对称的时候怎么办 ? ◦ 对于不同的视角，物体外观必然改变  Billboards 方法依然是有效的 : ◦ 对每个不同的视点计算多个纹理图像 ◦ 绘制对不同的视点，保持多边形不变，但是改变纹理图像 ◦ 最好在两个最近的视点之间进行插值、纹理融合操作  可利用三维纹理和硬件纹理滤波操作获得较好的效果  如果多边形保持不变，那么会限制视角的变化 ◦ 解决方案：对于某些不同的视角，选用不同的多边形
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43.过程式建模技术 粒子系统 ◦ 介绍 ◦ 包括介绍 OGRE 的粒子系统及代码分析 L- 系统 ◦ 植被的构造
44.粒子系统 粒子的属性 ◦ 位置 , 速度 , 加速度 , 能量 , 方向 主要用于自然界中不规则的模糊景物的模拟 ◦ 如火 , 雪 , 烟 , 植被等 主要步骤 ◦ 生成粒子 ◦ 更新粒子 ◦ 删除粒子 ◦ 绘制粒子
45.粒子系统  粒子系统的优点是 : ◦ ① 简单体素和复杂物体行为有机结合。例如 : 利用粒子系统可以很容易地生成火焰和喷泉。 ◦ ② 易于实现。只要提供给用于粒子属性的随机过程一些参数即可定义一个粒子系统。 ◦ ③ 粒子简单，易于显示，而且显示效率较高。  主要缺点是 : ◦ ① 每一时间步均需要计算粒子的动态属性，增加计算开销。 ◦ ② 粒子的几何特性过于简单，可以构造的物体范围有限。
46.Example
47.Example
48.OGRE 的粒子系统 粒子是用四边形来表示的 粒子属性封在粒子属性变换器（ Affector ）中 ◦ 包含颜色修改器（ ColourInterpolatorAffector ） ◦ 线形影响变换器（ LinearForceAffector ） 粒子由粒子发生器（ Emmiter ）产生 ◦ 包含盒状粒子发生器（ BoxEmmitter ） ◦ 点状粒子发生器（ PointEmmiter ）
49.代码分析 - 粒子系统模板 // 盒状粒子发射器  emitter Box  {  angle 30   emission_rate 1000  time_to_live 3  direction  velocity  // 粒子发射时偏离 direction 的最大角度 } // 发射速率 ( 个 / 秒 ) // 粒子生存时间 ( 秒 ) 010 200 // 粒子的发射方向 // 速率
50.粒子系统模板 // LinearForce ：对运动中的粒子的加上一个外力，影响其运动轨迹。 // Make em float upwards affector LinearForce { force_vector 0 100 0 // 指定外力的影响 ( 用向量表示 )        // add ：粒子的运动向量加上外力的向量。效果：匀加速运动 force_application add 。 }  affector ColourInterpolator  {  time0 0  colour0 110  time1 0.5  colour1 100  time2 0.9  colour2 001  }
51.粒子系统实例： Demo_Smoke  粒子脚本  材质脚本  调用代码贴图（ a ）是烟雾中烟粒子的纹理（ b ）是火焰颜色渐变使用的 64x4 纹理
52.示例
53.示例 2-particlefx
54.L- 系统 以形式化的语言描述植物的结构和生长 由文法生成的句子代表植物 , 句子生成的中间过程代表植物的生长发育过程 L 系统的核心概念是重写 , 即用一系列重写规则或生成式 , 通过连续地替代简单原始物体的部分来定义复杂的物体 优点 ◦ 能简洁地描述物体的拓扑结构 ◦ 生成速度很快
55.字符重写 Productions b ba a ab a Alphabet ab {a, b} Initiator b ab ab a a ab
56.生成植物的步骤 F(3) [-(45) F(1) @L(1) ] F(4) @B(1) where L = and B = F(1) F(3) [ save state -(45) @L(1) ] update state F(4) @B(1)
57.Result
58.常见特效实现 雾 自然现象 海浪 柔性物体 水波 瀑布
59.雾 游戏程序设计中，为了确保图形系统的速度，图形开发人员往往在位于观察点远处的场景使用较为简单的三维模型，甚至不绘制物体，而在近处则使用复杂模型，这样可能导致物体变形、突然消失突然出现等失真现象。 雾化效果可有效避免这种失真。
60.雾化原理中，雾化是通过将景物颜色与雾的颜色，以随物体到观察点的距离增加而衰减的混合因子混合而实现的，距离观察点越近，混合因子越大，场景内的物体颜色越大，雾的颜色越小，景物就越清晰；随着观察点拉远，混合因子逐渐变小，场景中物体的颜色变小，而雾的颜色变大，景物越来越模型。 Color=f*colorsence+(1-f)*color D3D fog
61.雾化原理
62.雾
63.自然现象 动态云彩：使用纹理贴图，用一个矩形表示天空背景，在程序运行时，不断改变矩形四个顶点的纹理坐标，将一福包含云彩图像的不同部分映射到背景天空中，从而得到动态效果。
64.动态云彩
65.自然现象 雨景：粒子技术，每个雨点粒子是一条短线，即一定长度的线段，把这条线段当作一个粒子，根据时间的推移，它根据两个顶点所决定的方向向量，按照一定的速度下降。实时计算出它的具体位置，然后在这个位置上将该粒子绘制出来。
66.雨景
67.自然现象 雪景：和雨景类似用粒子系统，但雪花粒子结构比雨点粒子结构复杂得多，雪花在下降的过程中会不断绕自身翻转，所以定义两个表示旋转的角度变量以及一个表示旋转速度的变量 由于雪花具有不同的形状，因此需使用多个雪花纹理，在粒子结构中要添加变量指明使用哪个雪花理。纹
68.雪花
69.海浪效果模拟
70.海浪效果模拟 技术：使用纹理贴图 思路：在一个矩形表面应用纹理贴图表示海面，通过不断改变海面矩形定点的纹理坐标，实现海浪动画效果。 优点：简单方便 缺点：逼真度比较差。
71.海浪效果模拟 - 纹理贴图
72.海浪效果模拟 模拟效果比较逼真的方法是根据相关模型实时生成动态海浪，比较常用的模型有正弦波海洋模型和摆动海浪海洋模型。 在正弦波海洋模型中，海洋表面上的波浪从底到顶分为 10 级，用正弦波连接，可以通过修改海浪的参数 , 如空间频率，软播速率和相位得到不同的海浪效果。 摆动海浪海洋模型可以定义多个海浪串相互作用，制作出逼真的三维海面。
73.海浪效果模拟 - 正弦波海洋模型
74.柔性物体 自身形状不断发生变化的物体，与刚性物体有很大不同，对于复杂一点的刚性物体，在对其进行可视化仿真时通常是先使用三维建模工具建立其静态模型，但是这种方法对柔性物体不再适用，因为柔性物体的形状不断变化。 因此只能在程序中实时构造柔性物体的显示模型，并且不断更新其形状。
75.柔性物体 模拟的基本过程：从本质上讲柔性物体还是个三维模型，由顶点、索引及多边形表面所构成。这些顶点不仅有坐标，同时还有自己对应的质量，使顶点成为质点。随着时间的变化，模拟这些质点的运动，然后修改对应顶点的坐标，就可以实现柔性物体的仿真。
76.柔性物体 一般使用的技术：粒子系统 + 弹簧结构 例： 飘扬的红旗中，红旗网格的每个交点可用粒子表示，把用来构造旗子的每个粒子用粒子系统统一管理，根据每个粒子的受力情况实时计算粒子的位置，通过不断更新粒子的位置来实现柔性物体形状的不断变化。（与普通粒子不同，该粒子还含有质量属性） 弹簧结构用来连接红旗上相邻两个粒子，弹力可让物体间紧密结合，阻尼可让连接的物体之间更柔顺。
77.柔性物体
78.水下效果模拟 主要使用技术：凹凸纹理 D3D 为例）：首先创建一个背景矩形，然后通过凹凸纹理对背景矩形纹理进行扰动，再将扰动过的背景纹理贴图到矩形上，从而实现水下效果。 思路（以
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80.水波效果模拟 主要使用技术：凹凸纹理映射 思路：凹凸纹理映射用来生成场景内水面的波纹，背景图片被用作环境映射的投影纹理
81.
82.基于动态纹理的瀑布模拟系统框架
83.Generation of basis texture sprites
84.Interactively design flow lines
85.Generation of dynamic texture sequence
86.Generation of the foam
87.Results
88.Q&A?