图形学与游戏技术教学课件

1、图形学与游戏技术简介2012-9-15第1页，共53页。真实感图形学：侧重视觉效果可视化：侧重信息传达图形学第2页，共53页。cn3dSAGA gis可视化ADINA第3页，共53页。离线渲染（Offline Rendering）实时渲染（Real-time Rendering ）渲染类型：第4页，共53页。RayTracing(start, direction, weight, color) if ( weight 世界空间光源视角屏幕空间逆光栅化光栅化第19页，共53页。Shadow map 锯齿与软阴影图取自：/GPUGems/gpugems_ch11.html第20页，共53页。Sha

2、dow volume首先渲染场景，然后关闭缓冲写渲染阴影体并进行模板计数，最后根据模板值决定各点是否为阴影点。根据模板计数规则不同，分为z-pass和z-fail两种算法。shadow volume历史：Franklin C. Crow于1977年发表了一篇题为Shadow Algorithms For ComputerGraphic的论文，提出shadow volume思想。Tim Heidmann于1991年，展示如何用模板缓冲实现快速实时阴影（z-pass算法）。2000年前后，若干人独立发现了z-fail算法，发现者之一John Carmack（约翰*卡马克）将其应用于Doom3，使此

3、技术引起公众关注，所以z-fail算法通常又称为Carmacks Reverse。卡马克提出z-fail算法邮件全文：/Pointer/archive/2004/07/28/28036.htmlz-pass算法存在：“当相机位于阴影体内时失效”的问题。为解决这一问题，后来提出z-fail算法。卡马克：3d游戏之父，id software创始人之一。了解3d游戏历史，推荐阅读Doom启示录第21页，共53页。模板缓存（stencil buffer）帧缓存的一种，起到mask的作用。（结合后面阴影体模板计数来讲解）第22页，共53页。z-pass视点在阴影体外，得到正确结果视点在阴影体内，方法失效

4、第23页，共53页。无论视点在不在阴影体内，都得到正确结果z-fail第24页，共53页。/wiki/Shadow_volumez-pass和z-fail算法的标准描述：Z-pass：1，Disable writes to the depth and color buffers. 2，Use back-face culling. 3，Set the stencil operation to increment on depth pass (only count shadows in front of the object). 4，Render the shadow volumes (becau

5、se of culling, only their front faces are rendered). 5，Use front-face culling. 6，Set the stencil operation to decrement on depth pass. 7，Render the shadow volumes (only their back faces are rendered). Z-fail：1，Disable writes to the depth and color buffers. 2，Use front-face culling. 3，Set the stencil

6、 operation to increment on depth fail (only count shadows behind the object). 4，Render the shadow volumes. 5，Use back-face culling. 6，Set the stencil operation to decrement on depth fail. 7，Render the shadow volumes. 第25页，共53页。视点在阴影体外视点在阴影体内第26页，共53页。四叉树（qaudtree）通过四叉树可以同时实现视锥剔除和LOD地形第27页，共53页。高度图11

7、69x11169 ，24位bmp生成方法：1，用photoshop绘制。2，自动生成（Perlin noise） 。3，在3dmax中建立地形模型，然后渲染成高度图。 （/tikiwiki/tiki-index.php?page=3dsmax%20Heightmaps）重组3D IV 中小岛高度图（使用photoshop绘制）第28页，共53页。实现视锥剔除：第29页，共53页。实现LOD：在重组3D IV中d改用d2，一方面省去开方运算，另外使得LOD效应更强烈当d相对于边长e来说较小，即离眼睛较近（对比上一页）第30页，共53页。补缝如果一个未分裂块的邻块分裂，则两块之间需用三角补洞。（此

8、处暗含假设：相邻块LOD级数必定1，无法使用三角形补缝。第32页，共53页。voxel based terrain Crysis sandbox2可以实现悬崖，洞穴等高度图无法实现的地形效果新的形生成技术（基于体素的地形）第33页，共53页。场景管理重点：八叉树（octree） 简述：bsp，portal，pvs第34页，共53页。八叉树结构何时分裂：（1）实心节点中面数（或物体数）不够少。（2）实心节点体积不够小。图取自：/wiki/Octree03215476编号顺序：第35页，共53页。分裂4次达到的粒度八叉树用于碰撞检测：快速筛选出潜在碰撞三角面（或物体）集八叉树用于视锥剔除：（其实，

9、视锥剔除就是视锥与场景的碰撞检测）八叉树用于加速光线追踪：加快光线与几何体的求交运算第36页，共53页。细菌与纽结的碰撞使用了八叉树，红色部分为扭结与细菌的潜在碰撞三角面集。第37页，共53页。bsp,portal,pvs：八叉树视锥剔除的不足：无法处理遮挡portal可处理遮挡。通过bsp可以实现自动portal生成。pvs是预计算版的portal。处理遮挡的另外一个方法：硬件遮挡查询八叉树视锥剔除Portal技术第38页，共53页。骨骼蒙皮动画第39页，共53页。bone1bone2bone1bone2v6：w2=1v5：w2=1v4：w2=0.7，w1=0.3v3：w2=0.5，w1=0

10、.5v2：w1=0.7，w2=0.3v1：w1=1v7：同v5v8：同v4v9：同v3v10：同v 2v11：同v1以v4为例说明顶点混合过程：图中bone2为bone1子骨骼，设bone1，bone2的局部矩阵分别为m_bone1，m_bone2。v4在bone1坐标系内的坐标v4_bone1=inverse(m_bone1)*v4；v4在bone2坐标系内的坐标v4_bone2=inverse(m_bone1*m_bone2)*v4。现假设bone1,bone2都进行了变换，各自的局部矩阵变为m_bone1和m_bone2，则按bone1来算，v4的新坐标v4应为v4_1=m_bone1*

11、v4_bone1。而按bone2来算，v4的新坐标v4应为v4_2=m_bone2*v4_bone2。于是真正v4取v4_1与v4_2的混合，由于bone1和bone2对v4的影响权重分别为0.3和0.7，所以v4=0.3*v4_1+0.7*v4_2顶点的骨骼权重：第40页，共53页。粒子特效一大类无定形事物可以用粒子系统进行模拟，如：火，烟尘，爆炸，云，雨雪，瀑布，浪花，植被，魔法等。2d3d使用点使用透明公告牌：第41页，共53页。体素（Voxel）过程生成（ Procedural generation ）无限细节（Unlimited Detail ）?新技术看好第42页，共53页。体素（

12、Voxel）比多边形更接近自然。以前主要在医学成像中使用，近些年开始在游戏中流行。第43页，共53页。体素光线投射（voxel ray casting ）/index.php/article/index/id/7616/page/1Outcast (1999 ) Delta Force: Xtreme 2（三角洲特种部队:极限版2）（2009）体素八叉树：1，加速求交。2，减少存储空间（物体内部区域不分裂）。两个游戏均为Novalogic公司制作，NovaLogic与战争游戏介绍 ：/j/n/2008-11-15/1838280570.shtml第44页，共53页。风格化体素游戏/voxeli

13、ens/highly dynamic game environments 第45页，共53页。PolyVox /polyvox-about/VoxeliensMasterspacewtech engineForever War使用PolyVox开发的游戏：Voxlap 体素库、引擎/ken/voxlap.htm/Voxelstein 3d（体素版德军总部）使用voxlap开发的游戏：第46页，共53页。/可任意破坏的建筑小车在路面上压出车轨印Atomontage Engine由多边形模型转化来的体素模型（通过Mesh Voxelizer）第47页，共53页。过程生成（Procedural ge

14、neration ）随机，分形（递归），组合节省人力，增加丰富性。第48页，共53页。植物生成：城市生成：/features/336/features/336/procedural_content_.phpVoxel space automata: modeling with stochastic growth processes in voxel space，N. Greene,1989地形生成：Realtime procedural terrain generation-realtime synthesis of eroded fractal terrain for use in computer games, J Olsen,2004还有更多事物可以使用过程生成得到第49页，共53页。 无限细节（Unlimited Detail ） Euclideons logo isnt just a logo.but an