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连载三：3D游戏引擎中的室外大场景渲染技术研究与实现
作者: 李均
来源: 万方数据
关键字: &&&&&
3D游戏特别是网络在线游戏中，室外大场景渲染是一块非常重要的内容，它也是3D图形引擎的核心。它是图形学和图像处理理论最直接的应用，其涉及的技术还可以应用于其它领域，比如虚拟现实、3D GIS、数据可视化等，其重要性不容置疑。随着硬件的不断发展，行业对渲染场景的规模和真实感提出了更高的要求。
　　第三章 室外场景地形的实时绘制技术 　　地形的绘制是指读取虚拟世界的地图信息，绘制出场景的地表，并实现角色在场景中实时漫游。它是室外场景实时绘制中最重要的部分，也一直是计算机图形学中一个重要的研究领域。尽管地形的绘制在不同的游戏中所采用技术会有所不同，但是他们总体上还是遵从一定的流程，如图3.1所示：
　　以下章节会逐步分析相关技术。需要说明的是本章探讨的“绘制”还不包括真实感的表现，可以理解为线框模式下的绘制。 　　3.1地形绘制所需数据 　　地形绘制所涉及的数据主要有：地形的高度图、缩放标尺、地表纹理图、地表纹理索引等。在游戏设计中，表现一个场景所需要的一系列数据往往打包放在一起。 　　3.1.1高度图 　　对基于三角形面片渲染的3D场景来说，地形的顶点信息就是指组成地形的所有三角形面片每个顶点的三维坐标。最简单最有效的地形顶点表示方法是使用高度图(heightmap)u利。 　　通常高度图是一张灰度图，它的长宽通常满足(2^n+1)。每个像素的灰度值表示地形相应位置的高度值，用连续的三角形面片来连接这些三维空间中的顶点就构成了地形的面片。高度值的值域范围0--255足以表现游戏中场景的地形起伏，如果需要也可以使用双字节，四字节或更高来描述高度值。在设计中很多游戏由于封装数据的需要，通常自定义高度图的格式，而不采用灰度图，但是其存储的数据本质上是一样的。 　　3.1.2缩放标尺 　　地形信息还应包括缩放标尺，用来表示在绘制时高度图中相邻两个灰度值之间相隔的X，Z方向上的距离值。比如一张33×33的高度图的缩放标尺是l米，则在游戏中我们可以看到一个32MX 32M大小的场景。此外，在Y方向上也有一个缩放标尺，负责地形高度的缩放。 　　3.1.3顶点法向量 　　地形网格上的各点都需要一个表面法向量。它可以用来计算光照，进行背面剔除，检测与表面的碰撞等。一个三角形的法向量可以通过三角形上两向量叉乘的方法轻松获得，而顶点级法向量可以通过共享此顶点的所有三角形的法向量求平均值来模拟，在很多情况下，这样的效果已经能够达到要求了。顶点处其实是没有法向量定义的，因为此处网格表面不连续。 　　3.1.4多种地表纹理及光照贴图 　　为了表现地形的真实感，目前游戏中的做法是通过多重纹理混合贴图来实现的。其中用到的贴图通常以各种图片格式保存。关于这种技术的讨论在真实感渲染章节会详细介绍。 　　3.1.5单个场景地形的数据结构 　　由以上的分析我们就可以得到单个场景地形的数据结构，如下所示：
　　3.1.6面片的构成 　　任何多边形模型都可以转换成三角形的集合，所以地形网格也是三角形的集合。如果三角形被各自独立地送至图形硬件进行绘制，共享的顶点数据就需要执行重复冗余的运算，并且相同的数据还被传送至少两次以上。降低这些额外开销的一个方法就是把彼此相邻的三角形构建成三角带(strip)。首先，把第一个三角形的三个顶点放至strip之中，然后将其余的三角形顶点依照相邻顺序依次放至strip中，每个三角形只需要加入二个顶点。缺省条件下，在strip中彼此相邻的顶点都构成了连接两个相邻三角形的公共边。如果连接规则(顺时针或者逆时针顺序)需要发生改变，则可以使用swap命令交换顶点顺序，或者重新将某一个顶点放入strip之中。扇形三角形带(Triangle fans)可以看作是三角带的一种退化形式，只是其中所有的三角形都共享一个公共顶点。图3.2是三角形带的表示方法：
　　V0，V1，V2，V3，V4五个顶点构成了表示三个三角形的三角形带。注意描述三角形带时，顶点的顺序很重要，因为是遵循一定连接规则(顺时针或逆时针)的。在OpenGL中生成最右方的三角形带的代码如下：
　　3.2 LOD地形网格简化算法的基本思想及意义 　　所谓地形网格的简化是指通过算法减少提交到显卡的顶点，以减少每帧同屏渲染的三角形数量，借以提高渲染速度。 　　细节层次(LOD，levels of Details)技术是一种符合人视觉特性的网格简化技术。我们知道，当场景中的物体离观察者很远的时候，它们经过观察、投影变换后在屏幕上往往只是几个像素甚至是一个象素。我们完全没有必要为这样的物体去绘制它的全部细节，可以适当的合并一些三角形而不损失画面的视觉效果。对于一般的应用，我们通常会为同一个物体建立几个不同细节层度的模型。这样的技术应用在地形渲染中，也称之为多分辨率地形(Multi―Resolution Terrain)。下图就是一个多分辨率地形网格：
　　在开发3D游戏时也有不采用基于LOD的地形网格简化算法的做法。典型的游戏有韩国游戏公司开发的著名3D网游《奇迹》，每个Tile场景地形它用257×257的高度图构成，采用静态载入场景数据的方案同样产生出了美妙的场景。对于这么小的场景，当然没有必要做地形网格的简化，现在的一般显卡足以能够应付。之所以他能成功应用这种方式，是因为在设计场景时限制了地形的高低起伏，使地形趋于简单，缩放标尺取得很大，同时用纹理和光照贴图来弥补地形本质上的单调。另外，如果运用基于外存的动态数据载入算法，理论上也可以不用基于LOD的地形网格简化算法。 　　随着3D游戏的成熟，玩家需要有更真实的体验，因此地形变得更加复杂，场景变得更加巨大，地形的绘制需要很多数据参与，对系统资源消耗巨大。如果一点也不进行地形网格简化，试想一个的场景就将生成2M个三角形，渲染大的场景时显卡的处理能力很难跟上。在显卡的数据吞吐能力有限的情况下，游戏场景渲染中普遍基于LOD的思想，减小绘制多边形数目。它能在牺牲适量CPU资源的前提下大大减轻图形卡的数据负载，使CPU与GPU之间没有明显的瓶颈，从而达到实时渲染大地形的目的。 　　基于LOD的地形网格简化算法分为动态LOD和静态LOD算法。动态LOD算法是在每帧渲染之前都经过计算重新确定送入显卡的顶点。所有的顶点数据全部需要参与运算。ROAM算法和基于四叉树的动态LOD算法都属于此类，GeoMipMap算法则是静态LOD算法的代表。
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责任编辑：熊东旭2008年7月 Windows专区大版内专家分月排行榜第三2008年6月 专题开发/技术/项目大版内专家分月排行榜第三
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