计算机动画与游戏技术调研.docx

计算机动画与游戏技术调研1214042904 张哲峰1 三维游戏技术调研1.1 视频游戏的历史1952 年剑桥大学的 A.S. Douglas 为益智游戏 Tic-Tac-Toe 在 EDSAC（延迟存储电子自动计算机）上编写了一个图形游戏版本 Noughts and Crosses这是视频游戏的雏形，游戏画面用阴极射线管显示这个游戏只能实现图形的显示，还不能完全称为视频游戏图 1 A.S. Douglas 的 Noughts and Crosses第一个具有里程碑意义的视频游戏为 1958 年 William Higinbotham 在 Brookhaven 国家实验室的一台示波器上实现的双人网球游戏——Tennis for Two图 2 Tennis for Two有趣的是，芬兰程序员 Pekka Väänänen 使用通过修改的 Darkplaces 引擎来渲染游戏，成功的将《雷神之锤》移植到示波器上[2]，并可以流畅运行早期的游戏背景是不变的，玩家在一个固定的背景中进行游戏雅达利 1978 年发售的体育游戏 Football 引入了一种新的画面显示方式，背景会随着玩家角色的移动而改变，这种显示技术被称作卷轴。

卷轴很快成为了主流技术，80 年代许多成功的游戏如日本任天堂公司的 Mario 系列都采用的这种技术图 3 football1975 年矢量绘图也由 Larry Rosenthal 引入到了游戏设计领域借助这种技术，游戏设计者可以精确地绘制图形，并且三维线框模型也成为可能第一款 3D 游戏是 1973 年在加里福利亚的美国宇航局 Ames 研究中心的一台 Imlac PDS-1 上诞生的，它的创造者是 Steve Colley这款叫 Maze War 的游戏在接下来的几十年里有着数以千计的模仿者图 4 Maze war早期 3D 游戏使用的是 Flat-Shaded 图形学和简单的材质贴图直到 1996 年，Voodoo公司推出第一块面向个人电脑的 3D 图形加速卡,它的出现使更精细的 3D 图形出现在视频游戏中成为可能视频游戏的不断发展在一定意义上也推动着计算机图形学的不断进步，如今完美的影像效果已成为视频游戏必不可少的组成部分1.2 游戏常用图形技术1.2.1 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，但恰恰是这些细微特征极大地影响着景物的视觉效果。

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、图案和细微结构在纹理映射中，除了在相机距离物体很远时产生走样外（可采用 MIPMAP 技术解决） ，当相机非常靠近物体时也会发生问题一个很直观的办法是使用更精细、尺寸更大的纹理这既带来了显存的负担，也没有从根本上解决问题，即当视点更靠近物体时，方法仍将失效凹凸纹理记录了物体表面小尺度的高度场变化，即物体表面相邻点的高度的差分每个点的差分在绘制时改变了曲面的法向，采用多步纹理映射模式进行光照明计算凹凸映射通常在每个像素层次上扰动法向向量，并用纹理作为输入，记录扰动值在图形引擎中，出于对效率的考虑，也可以在顶点基础上扰动法向量包括浮雕型凹凸映射、环境凹凸纹理映射、法向映射与凹凸纹理映射不同的是，位移纹理映射既能模拟凹凸的表面细节，还能模拟微观的几何扰动，缺点是图形硬件不支持逐像素的位移映射，因而只能采用自适应网格剖分的折衷方案与凹凸纹理映射和位移纹理映射不同，环境纹理映射的目标是模拟某个物体的周围环境球面环境映射是一个非均匀映射，因而会导致图像扭曲变形现象，这在两极尤为严重。

此外，球面投影缺乏一种适合于计算机存储的表示方法尽管立方体环境映射克服了球面环境映射的一些缺陷，但对非计算机生成的图像，实拍获得立方体环境映射是非常困难的这是因为立方体环境映射是由 6 幅广角为 90°的画面构成，它们之间的拼接要求精确的摄像机定位技术由于平面投影也是非均匀的，在立方体的边界和角点处仍存在采样过多的问题光照映射则模拟光源对物体表面光亮度的影响，极大地节省了的光照明计 算，是三维游戏图形引擎中不可或缺的技术下表比较了上述几类高级纹理映射技术的异同阴影遮挡改变几何反射图形硬件实现实用性 常规纹 理映射无无无无直接支持强凹凸纹 理映射可以无无无方便强位移映 射无可以可以无困难弱球面环 境映射无无无可以可以中等立方体 环境映 射无无无可以直接支持强光照映 射可以可以无可以方便强表格 1 几种高级纹理映射技术的比较图 5 常规纹理映射、凹凸映射、位移映射比较1.2.2 混合式图像和几何绘制传统的图形绘制技术是面向场景几何的，涉及到场景的建模、消隐和光亮度计算，面对对高度复杂的场景，现有的图形硬件仍无法实时绘制简化后的游戏场景基于图像的建模与绘制技术（Image based modeling and rendering，IBMR）就是为实现这一目标而设计的一系列方法。

IBMR 基 于一些预置的图像来生成不同视点处的场景画面，有着鲜明的特点：图形绘制的计算量不取决于场景复杂性，而与所需屏幕分辨率有关预先存储的图像既可以是计算机合成的，也可以是实际拍摄的画面，两者可以混合使用，从而可能获取很高的真实感在三维游戏引擎中，最为实用的 IBMR 技术当属混合式图像和几何绘制技术，它综合利用简化的场景几何和图像模拟复杂场景物体的外观与形状与纯粹基于图像的建模与绘制技术（如全景图、同心拼图、光场函数等）相比，混合式图像和几何绘制技术存在两个优点：利用图像快速模拟出物体的表面细节和外观，从而比纯几何绘制更高效利用简化的几何方式模拟不同视点下的物体形状，从而避免纯图像方法的大数据量1.光晕光晕光晕是相机在亮光的直接照射下所引起的现象，通常它由一个光环和淡淡的日冕组成由于各种光的波长不同，当它们照到透镜上时会发生折射，产生光环日光的光环看起来像一枚戒指，它的外边缘是红色的，内边缘是紫色的日冕在透镜中分布不均匀，从中心点向四周辐射此外，由于光线在透镜的内部发生反射和折射，所以会产生二次效应例如，照相机的隔膜片可以生成六边形的图案根据光学原理计算多个透镜的光晕效果显然得不偿失。

游戏中通常采用一种简单的二维图像技巧，它的基本思路是把光晕分解为两类组成元素，其一是光晕的主要部分，它控制光晕的形状，可大致分为 4 类，如图 6-18 所示图 6 光晕形状的构成2.Billboard 技术技术利用简单的纹理映射几何绘制手段替代复杂的几何绘制能增加场景真实感和效率Billboard 技术采用一个带有纹理的四边形，其纹理图像为该 Billboard 所代表的物体的图像，即用带有该物体图像的长方形，代替该物体生成该物体的图形画面Billboard放置于所代表物体的位置中心，并随相机的运动而变化，始终面对用户将 Billboard技术与 alpha 纹理和动画技术结合，可以模拟很多自然界现象，如树、烟、火、爆炸、云等4 种最常用的 Billboard 几何表示方法如下图所示第 1～3 种方法允许视点在与物体高度相同的区域内变化当视点改变时，Billboard 四边形绕对称轴旋转，如果存在多个四边形（第 2、3 种方法） ，需要融合它们的绘制结果第 4 种方法额外生成了顶部和底部的四边形，允许视点位于物体上方或下方，这在 飞行器模拟类游戏中广泛使用除这 4 种表示方 法外，对于对称 性不强的物体，可以使用视点依赖的 Billboard技术，分为两步进行：第一步是预处理阶 段，对于每个可能的视线方向计算一个物体的图 像；第二步是绘制阶段，当视线方向给定时，选择最近的两个视点，取出它们对应的纹理并它进行插值和纹理融合。

图 7 4 种常用的 Billboard 几何表示1.2.3 过程式建模技术1. 粒子系统粒子系统粒子系统（particlesystem）是一系列独立个体的集合，这些独立个体就称为粒子，它们以一定的物理规律和生命周期在场景中运动从物理上看，粒子可以抽象为空间中的一个点，这个点拥有某些属性，并随时间运动基于粒子系统的建模方法的基本思想是采用许多形状简单的微小粒子（如点、小立方体、小球等）作为基本元素，来表示自然界中不规则的模糊景物，如火、雪、烟，如草和树游戏场景中的很多现象和物体都可以用粒子系统来模拟，包括烟、火焰、爆炸、血溅等游戏引擎中，通常都设计一个专门的模块，即粒子系统，以完成对它们的模拟在著名的星际迷航游戏中，就设计了将近 400 个粒子系统，总计 75 万个由于粒子系统包含大量的运动的小粒子，出于对效率的考虑，必须综合平衡粒子系统的效率、速度和可扩充性在设计粒子系统时，必须避免粒子系统生成大量的多边形粒子系统的绘制有不同的方式例如，在游戏场景中存在多个血迹系统，因此需要绘制的粒子状态有血的喷射、血的溅射、血流和血喷溅到镜头等 4 种，每种都需要不同的粒子绘制方式血的喷射模拟的是血在空气中飞散的过程，当血碰到墙壁和地板时，粒子变成血的溅射效果。

当游戏的角色躺在地板上气绝时，地板上的血的粒子系统就采用血流的模式粒子系统所绘制的森林是早期计算机绘制自然景物的代表，它用圆台状粒子组成植物的枝条，用小球状或小立方体粒子组成树叶，只要建立了这些粒子组合或排列的模型，就可以实现对植物形态结构的模拟，粒子在生命周期中的变化就会反映出植物生长、发育到最终消亡的过程同时在粒子系统中引入随机变量以产生必要的变化，并选取一些决定性的参数来表达植物的大致形态为了模拟一棵树，通常需要数十个参数控制分枝的角度和枝干的长度粒子系统的一个主要优点是由于其基本组成元素是点、线等易于变换和绘制的图元但是，粒子系统的设计是一个反复试验和修改的过程，而且粒子系统的树木造型有比较明显的人工痕迹，可提供的真实感有限2. L-系统与植被的模拟系统与植被的模拟植被以树枝为基本元素，植被模型的空间结构分为拓扑结构和几何描述两部分，拓扑结构表示树枝之间的层次关系通过层次关系把树枝组织在一起形成一棵完整的植物，其中每一树枝都可以有多个子树枝，也可以没有子树枝除根树枝外，每一树枝都有唯一的母树枝植物的几何结构则定义树枝的空间形状从宏观上看，植物在其形态结构的组成上有一个共同点，即植物都是由主干、分枝、树叶这些基元组成的。

每个基元的形成又遵守着一个同样的方式，即由主干上分出第一层分枝，再由第一层分枝上生出第二层分枝，这样一层层地分下去，直至树叶对植被的生长模拟可提供母树枝生长子树枝的方法，由参数控制植物子树枝的生长，这些参数包括子树枝与母树枝的夹角、子树枝长度收缩比例、子树枝半径收缩比例、子树枝相对母树枝的空间旋转角以及子树枝的生长模式对子树枝的生长还需要引入随机控制变量，使子树枝不显得呆板一个很有趣的分型网站： 场景光影特效模拟1. 阴影平面投影法平面投影法是最简单的阴影生成算法，其主要思想是将遮挡物体沿光源方向投影变形到被遮挡的平面上，在平面上作为二维物体绘制，绘制结果直接产生了遮挡物体的阴影图 8 平面投影法示意（左） ；平面投影法效果图 （右）平面投影法存在两个严重的局限性首先，它无法在非平坦曲面上生成阴影，也不能在凹平面上生成阴影第二个问题是无法正确地计算阴影的颜色阴影图算法阴影图是一个预计算的纹理，它保留了光源的各发射方向上与场景物体的最近 距离在绘制时，计算当前视点下的可见部分与光源的距离，并与相应方向上阴影图保留的距离进行比较，如果前者大于后者，则说明可见点与光源之间存在一个遮 挡点，因而位于阴影之中。

下图显示了阴影图算法的大致思想，其中 遮挡物体 A 比被遮挡物体 B 更靠近光源，因此在阴影图上保留的是 A 到光源的距离在场景绘制时，比较 B 到光源的距离与阴影图保留。