面向大規(guī)模戶外場景的實時繪制系統(tǒng)課件

1、面向大規(guī)模戶外場景的實時繪制系統(tǒng)內(nèi)容概要問題介紹繪制架構設計與實現(xiàn)自然特效系統(tǒng)應用實例問題介紹大規(guī)模戶外場景實時繪制領域常見的應用需求游戲飛行模擬器地理信息可視化系統(tǒng)大規(guī)模戶外場景的特點場景沒有明確邊界對數(shù)據(jù)管理和繪制性能有較高要求自然要素在場景中具有重要地位海洋、大氣層、云等現(xiàn)有系統(tǒng)：Prepar3D現(xiàn)有系統(tǒng)：Prepar3D（2）現(xiàn)有系統(tǒng)：虛擬地球項目北京大學圖形與交互技術實驗室開發(fā)主要功能：全球范圍內(nèi)地形數(shù)據(jù)管理、繪制基本的模型繪制現(xiàn)有系統(tǒng)：虛擬地球項目（2）虛擬地球系統(tǒng)改造目標在現(xiàn)有架構及功能基礎上，實現(xiàn)較好的光照效果和自然環(huán)境效果：真實的大氣散射效果海洋效果真實感立體云層效果添加適用

2、于飛行模擬器視景顯示設備的功能我的成果高效反走樣復雜三維環(huán)境的統(tǒng)一繪制架構全球尺度的海洋波動效果和光照效果兩種立體云層效果（含體積云，粒子云）多投影機曲面校正及邊緣融合算法繪制架構設計與實現(xiàn)選用的光照算法E. Bruneton and F. Neyret. “Precomputed atmospheric scattering”目前為止比較優(yōu)秀的大氣散射實時繪制算法基于預計算查找表選用的光照算法（2）該算法實現(xiàn)的效果：經(jīng)大氣散射到達地面的太陽直射光照射到地表的天空光反射光到達視點過程中的散射衰減經(jīng)大氣散射進入視點的天空光選用的光照算法（3）該算法的性能特征大量使用紋理作為查找表，紋理單元的壓力

3、較大除了紋理讀取之外，其他計算過程也比較復雜延遲著色簡介兩遍繪制算法幾何繪制繪制場景，記錄每個像素的光照相關信息位置、法向、材質(zhì)等光照計算遍歷屏幕上每個像素，根據(jù)記錄的信息執(zhí)行光照計算漫反射率法向自發(fā)光深度材質(zhì)光照結(jié)果幾何緩沖區(qū)延遲著色算法優(yōu)點光照計算量小每個像素只執(zhí)行一次光照計算避免模型互相遮擋造成的光照計算浪費統(tǒng)一的中間數(shù)據(jù)格式幾何緩沖區(qū)隔離了場景繪制和光照算法較低的耦合繪制流程延遲著色的多重采樣問題延遲著色的多重采樣問題（續(xù)）正確做法：對每個采樣點計算光照，然后平均會大大增加計算量實際上等同于超級采樣優(yōu)化：只處理位于多邊形邊緣/交線上的像素在降采樣幾何緩沖區(qū)時檢測數(shù)據(jù)突變檢測多重采樣像素

4、不能完全避免效率問題Shader 中分支執(zhí)行會導致大量線程空閑線程執(zhí)行時間不一致會導致光柵化管線阻塞執(zhí)行過程可視化橫軸：時間縱軸：邏輯線程紅色：多重采樣 warp藍色：單采樣 warp黑色：空閑使用計算著色器提高并行性進一步提高并行性自然特效：海洋海洋波形生成頻譜合成方法：Tessendorf, 2001頻譜統(tǒng)計規(guī)律：Phillips, 1957海洋頻譜合成海洋網(wǎng)格生成使用 GPU 的曲面細分功能利用地形模塊的 LoD 信息生成多分辨率網(wǎng)格海洋光照算法海水吸收率對光照的影響純水添加雜質(zhì)模型浮動效果近似物理模型體素模擬實時采樣海面高度，計算浮力、阻力動力學計算模型浮動效果自然特效：體積云體積云繪

5、制流程噪聲源包絡網(wǎng)格繪制結(jié)果路徑積分厚度場生成片元排序云層厚度場和密度場體積云光照模型體積云路徑積分簡單算法體積云路徑積分（2）簡單算法存在精度問題積分路徑裁剪逐像素鏈表主要用于實現(xiàn)順序無關半透明可以逐像素檢測與視線相交的所有面片包絡網(wǎng)格分隔密度場大于零和等于零的區(qū)域積分路徑裁剪算法視線與包絡網(wǎng)格求交交點排序每一組“背面/正面”片元表示一個積分區(qū)間積分路徑裁剪：逐像素鏈表繪制效果云層動態(tài)效果云層動態(tài)效果自然特效：粒子云體積云的缺陷光照效果不好單次散射立體感差多次散射計算復雜形狀控制不便只能通過調(diào)整噪聲源間接控制粒子云方法云層塊組織可視區(qū)域視點為中心的圓淡出區(qū)域?qū)崿F(xiàn)可視到不可視的過渡保留區(qū)域作為云層塊緩存云層塊組織（續(xù)）粒子云繪制效果穿云效果靠近視點的公告板不能旋轉(zhuǎn)，否則轉(zhuǎn)動幅度過大容易被發(fā)現(xiàn)不旋轉(zhuǎn)公告板又會產(chǎn)生近裁剪面截斷效果穿云效果（續(xù)）根據(jù)視點到公告板的距離增加透明度近處公告板消失，穿云過程較為連貫系統(tǒng)應用實例