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

1、三維技術(shù)基礎(chǔ)與藝術(shù)欣賞陳永強(qiáng) 教授數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院E-mail:Tel:153371857851教學(xué)目標(biāo) 主要講解三維測(cè)量、三維靜態(tài)建模、三維動(dòng)態(tài)仿真、三維重建、三維顯示、三維打印、三維動(dòng)畫(huà)、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(dòng)畫(huà)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(dòng)態(tài)，能更好適應(yīng)現(xiàn)代三維科技時(shí)代的學(xué)習(xí)工作生活。2教學(xué)內(nèi)容 第1章三維技術(shù)概述 第2章三維測(cè)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(dòng)畫(huà)技術(shù) 第8章三維游戲技術(shù) 第9章三維影視技術(shù) 第1

2、0章3DSMax簡(jiǎn)介3第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景的表達(dá)三維場(chǎng)景的幾何表示分三類(lèi)：三維場(chǎng)景的幾何表示分三類(lèi)： 多邊形網(wǎng)格模型、曲面模型和離散模型多邊形網(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(xiàn)段和多邊形來(lái)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(chǎng)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(jiàn)的表示方法。4第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)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(jiǎn)潔；可以交互調(diào)整；比多邊形物體更光滑、更連續(xù)；動(dòng)畫(huà)和碰撞檢

3、測(cè)更簡(jiǎn)單和快速。在游戲建模中，越來(lái)越多的曲面作為基本的場(chǎng)景描述手段，這主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先，存儲(chǔ)曲面模型耗費(fèi)的內(nèi)存相對(duì)較低，這對(duì)控制臺(tái)游戲特別有用；其次，整體曲面變換比逐個(gè)多邊形變換計(jì)算量更??；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(xiàn)曲面都適合在游戲引擎里使用，只有簡(jiǎn)潔高效的曲面表示才在實(shí)時(shí)繪制方面占有優(yōu)勢(shì)。曲面包括參數(shù)曲面、隱函數(shù)曲面和細(xì)分曲面。5第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景的表達(dá)3.離散模型：體素模型，使用一些基本體素如長(zhǎng)方體、球、柱體、錐體、圓環(huán)等，

4、通過(guò)集合運(yùn)算如并、交、差等操作來(lái)組合形成物體。體模型的特點(diǎn)是布爾運(yùn)算非常簡(jiǎn)單，但存儲(chǔ)量大，冗余性高。目前已有一些游戲引擎專(zhuān)門(mén)使用體素模型。6第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景的表達(dá)7世界坐標(biāo)系相機(jī)矩陣相機(jī)矩陣投影矩陣投影矩陣相機(jī)坐標(biāo)Device coordinates視區(qū)矩陣視區(qū)矩陣窗口坐標(biāo)物體坐標(biāo)模型矩陣模型矩陣ModelView 變換變換局部物體坐標(biāo)世界坐標(biāo)相機(jī)坐標(biāo)設(shè)備坐標(biāo)窗口坐標(biāo)系統(tǒng)投影與裁剪第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(chǎng)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(chǎng)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

5、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(duì)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(gè)階段的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。在游戲的圖形繪制中，實(shí)時(shí)性處在最重要的地位，實(shí)時(shí)性一般指每秒處理幀以上，交互性一般指每秒處理幀以上。游戲編程者需要精通圖形繪制流程中的各個(gè)階段和功能，但不必了解每個(gè)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(xiàn)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)。8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(gè)最基本的概念：變換和光照。變換的意義是將幾

6、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(gè)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(chēng)為頂點(diǎn)變換與光照。圖形繪制流程由各個(gè)階段組成，各個(gè)階段之間是串聯(lián)關(guān)系，前一階段的輸出是下一階段的輸入。流程圖由下圖所示：9第8章三維游戲技術(shù) 真實(shí)感圖形生成10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(duì)象是場(chǎng)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(xiàn)、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(gè)數(shù)，常用的辦法有視域裁

7、剪、可見(jiàn)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(chǎng)景的幾何處理，如物體變形、碰撞檢測(cè)、用戶(hù)拾取等，為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，必須優(yōu)化場(chǎng)景組織和幾何設(shè)計(jì)算法。11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(shí)繪制引擎中，頂點(diǎn)層的實(shí)施對(duì)象是頂點(diǎn)，分為個(gè)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(chǎng)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(huà)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(chǎng)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(chēng)

8、為取景變換。12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(jiǎn)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(gè)像素的顏色。從頂點(diǎn)組成的幾何變換到像素的過(guò)程稱(chēng)為光柵化。像素層的實(shí)施對(duì)象是每個(gè)像素，其結(jié)果分別保存于兩個(gè)緩沖器中，其中顏色緩沖器中保存每個(gè)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(gè)像素歸一化后的z值。為了保證動(dòng)畫(huà)繪制時(shí)的視覺(jué)連續(xù)性，光柵化當(dāng)前幀的同時(shí)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(shí)保持兩個(gè)顏色緩沖器，交替作為前臺(tái)緩沖器和后臺(tái)緩沖器使用。在任意時(shí)刻，前臺(tái)緩沖器用于顯示，后臺(tái)緩沖器用于繪制，完成后兩者進(jìn)行

9、交換。像素層可分為四個(gè)子階段：消隱、逐像素光照明計(jì)算、紋理映射和顏色融合。13第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景的組織和控制在三維游戲場(chǎng)景中，往往追求用最少的處理器時(shí)間和內(nèi)存耗費(fèi)創(chuàng)造出最有視覺(jué)沖擊力的藝術(shù)效果。因此能否保證實(shí)時(shí)高質(zhì)量的畫(huà)面顯示是游戲圖形開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。對(duì)于高度復(fù)雜的場(chǎng)景，簡(jiǎn)單的圖形硬件加速并不能滿(mǎn)足游戲的實(shí)時(shí)繪制需要，因而必須設(shè)計(jì)高效算法來(lái)進(jìn)一步加速?gòu)?fù)雜場(chǎng)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(shí)可以適當(dāng)損失圖形的繪制質(zhì)量。基于這一原則，三維游戲中圖形技術(shù)大致可以從三個(gè)層面考慮：1.場(chǎng)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(chǎng)景表達(dá)模型，包括場(chǎng)景多邊形網(wǎng)

10、格模型的優(yōu)化、場(chǎng)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(jiàn)性判斷與消隱技術(shù)等。2.場(chǎng)景畫(huà)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(jí)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(guò)程式建模等。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(cè)處理。14第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景的組織和管理1.基于場(chǎng)景圖的表達(dá)和管理場(chǎng)景圖是一種將場(chǎng)景中的各種數(shù)據(jù)以圖的形式組織在一起的場(chǎng)景數(shù)據(jù)管理方式，它是一個(gè)k-樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。根節(jié)點(diǎn)是整個(gè)場(chǎng)景，樹(shù)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有任意多的子節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)由場(chǎng)景集成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括幾何物體、光源、相機(jī)、聲

11、音、物體包圍盒、變換和其他屬性。場(chǎng)景圖也可以被看作一個(gè)有向循環(huán)圖，基于場(chǎng)景圖表示的場(chǎng)景繪制封為兩步：第一步：根據(jù)游戲的需要更新場(chǎng)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(gè)父節(jié)點(diǎn)的幾何變換改變，父節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)會(huì)影響到所有子節(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(chǎng)景圖的剔除繪制過(guò)程。對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)，首先剔除不可見(jiàn)部分，并保存上一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)的繪制狀態(tài)。15第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景的組織和管理2.基于繪制狀態(tài)的場(chǎng)景管理基本思路是把場(chǎng)景物體按繪制狀態(tài)分類(lèi)。對(duì)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

12、態(tài)切換是指任意影響畫(huà)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(shí)，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(gè)耗時(shí)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(chǎng)景管理常用的場(chǎng)景包圍盒技術(shù)有五類(lèi)： 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(duì)平行面包圍盒：離散有向多面體。16第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景的組織和管理4.優(yōu)化場(chǎng)景繪制的幾何剖分技術(shù) BSP樹(shù)即空間二叉剖分 四叉樹(shù) 八叉樹(shù) 均勻八叉樹(shù)剖分17第8章三維游戲技術(shù) 游戲場(chǎng)景的幾何優(yōu)化1.層次細(xì)節(jié)(LOD: level

13、 of detail)技術(shù)層次細(xì)節(jié)算法不僅能減少場(chǎng)景多邊形數(shù)目，即場(chǎng)景復(fù)雜度，也可以用來(lái)控制場(chǎng)景的幀率。當(dāng)場(chǎng)景速度低于某個(gè)值時(shí)，可以采用LOD算法減少細(xì)節(jié)層次。反之，當(dāng)幀率很高時(shí)，意味著可以使用更高精度的模型。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(lèi)：簡(jiǎn)單取舍型簡(jiǎn)單取舍型LOD平滑過(guò)渡型平滑過(guò)渡型LOD靜態(tài)靜態(tài)LOD動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)LOD18第8章三維游戲技術(shù) 游戲場(chǎng)景的幾何優(yōu)化2.2.漸進(jìn)網(wǎng)格和連續(xù)多分辨率繪制漸進(jìn)網(wǎng)格和連續(xù)多分辨率繪制技術(shù)技術(shù)以幾何元素刪除實(shí)現(xiàn)模型簡(jiǎn)化是層次細(xì)節(jié)模型自動(dòng)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(gè)間

14、斷的簡(jiǎn)化模型，從而引起實(shí)時(shí)繪制時(shí)圖形畫(huà)面的跳躍。為了解決這個(gè)問(wèn)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(shí)連續(xù)的多分辨率繪制技術(shù)。19第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景快速可見(jiàn)性判斷與消隱1.可見(jiàn)性判斷算法分類(lèi)20第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景快速可見(jiàn)性判斷與消隱物體層算法主要是利用前面介紹的場(chǎng)景優(yōu)化方法。頂點(diǎn)層算法最簡(jiǎn)單的可見(jiàn)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(chǎng)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(jiàn)的。背面剔除是底層API（OpenGL，Direct3D）的圖形流水線(xiàn)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(jiàn)性算法是視

15、域剔除。除了圖形流水線(xiàn)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(chǎng)景中的不可見(jiàn)部分。第三種可見(jiàn)性算法是裁剪面剔除。它引入額外的裁剪面，剔除不可見(jiàn)的頂點(diǎn)和多邊形。注意：第一和第二種方法都依賴(lài)于圖形流水線(xiàn)的硬件處理能力，而且可見(jiàn)性判斷需要在頂點(diǎn)變換之后進(jìn)行，因此仍無(wú)法避免在頂點(diǎn)變換之前對(duì)這些被剔除多邊形的處理21第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景快速可見(jiàn)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(jiàn)面的判斷，有效地利用了圖像空間的相關(guān)性來(lái)加快可見(jiàn)性的判定，但是深度緩沖算法沒(méi)有利用空間的相關(guān)性。因此，人們提出了兩類(lèi)層次結(jié)構(gòu)，即在物體空間建立八叉樹(shù)層次結(jié)構(gòu)，在圖像空

16、間建立深度緩沖的四叉樹(shù)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(shí)空一致性的連貫性，但算法的實(shí)施依賴(lài)于對(duì)深度緩沖器的訪問(wèn)，因而無(wú)法使用圖形硬件進(jìn)行加速。22第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景快速可見(jiàn)性判斷與消隱2.基于入口（Portal）技術(shù)的可見(jiàn)性判斷主要用途是加速室內(nèi)場(chǎng)景，特別是建筑物場(chǎng)景的可見(jiàn)性判斷。與BSP樹(shù)的技術(shù)思路非常類(lèi)似，都是用于場(chǎng)景可見(jiàn)性判斷。不同的是入口技術(shù)只使用于室內(nèi)游戲的場(chǎng)景管理。它將場(chǎng)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(gè)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

17、之間共有的入口，如門(mén)、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(gè)有界平面，但是它不會(huì)被真正繪制。很明顯，在游戲的任意時(shí)刻，游戲中的玩家只能位于某個(gè)單元中，考慮到實(shí)時(shí)漫游時(shí)視點(diǎn)的任意性，入口技術(shù)定義某個(gè)單元的可見(jiàn)性為視點(diǎn)所能看到的區(qū)域，即一個(gè)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(jiàn)就意味著有一條光線(xiàn)能夠無(wú)遮擋地從此單元到達(dá)彼單元。23第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景快速可見(jiàn)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(chǎng)景中陰影的一種算法，它針對(duì)場(chǎng)景中的每個(gè)潛在的遮擋體生成一個(gè)陰影體，并

18、將視點(diǎn)假設(shè)為光源，這樣位于某個(gè)物體的陰影體內(nèi)部的部分便是不可見(jiàn)的。24第8章三維游戲技術(shù) 三維場(chǎng)景快速可見(jiàn)性判斷與消隱4.潛在可見(jiàn)集（PVS）方法在入口技術(shù)中，若場(chǎng)景中有n個(gè)單元，可以對(duì)每個(gè)單元設(shè)置一個(gè)n個(gè)比特組成的標(biāo)志位。如果第i個(gè)單元相對(duì)于當(dāng)前單元是可見(jiàn)的，那么第i位設(shè)置為。這種潛在可見(jiàn)單元方法在Quake，QuakeII中都被使用。它的一個(gè)推廣版就是可見(jiàn)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(jiàn)面。25第8章三維游戲技術(shù) 地形場(chǎng)景的繪制與漫游地形繪制是室外三維游戲中必須面對(duì)的問(wèn)題。場(chǎng)景地形圖通常采用基于四叉樹(shù)的繪制方法。26第8章三維游戲技術(shù) 三維游戲中的碰撞檢測(cè)碰撞檢測(cè)是游戲引擎中不可回避的問(wèn)題之一，只要場(chǎng)景中物體在移動(dòng)，就必須判斷是否與其他物體相接觸。碰撞檢測(cè)的基本任務(wù)是確定兩個(gè)或多個(gè)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(hào)、物體穿刺的深度等。設(shè)計(jì)健壯高效的碰撞檢測(cè)算法是游戲編程中的難點(diǎn)，盡管有關(guān)碰撞檢測(cè)的成果已經(jīng)很豐富，但是游戲場(chǎng)景中常常有成千上萬(wàn)個(gè)面片，甚至包含數(shù)量大到內(nèi)存都無(wú)法容納的物體，在這種場(chǎng)景中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，對(duì)碰撞檢測(cè)的算法提出了更高的要求，因此，