浅谈虚拟演播技术中的真实性表现

浅谈虚拟演播技术中的真实性表现

一、对光效图进行梳理与描述在影子成像技术所表达的几乎真实的虚拟场景之后，使用复杂的光度学，如曼特尔、罗伯特和罗伯特。采用光线跟踪、全球光度成像和光能映射等复杂光度学算法。获得真实的单幅后，后期合成，生产期长。虚拟演播室系统所使用的渲染引擎为达到实时渲染的帧频,显然无法使用影视制作这样的离线渲染方式。只能采用简单光照模型,且无法使用各种离线算法,使得虚拟演播室场景在效果上打了折扣。基于实时渲染引擎的特点,比较常见的光感表现方法有两种。一是使用光效贴图来模拟光效,常用的是使用带通道的光效图,利用虚拟引擎的时间线制作纹理动画来模拟流光效果,这种方法比较简单通用,效果取决于对光效图的整体把握。效果相对更好的方法是采用环境贴图,图1是ORAD虚拟演播系统采用环境贴图的实例。可见,通过简单的环境贴图设置,可以很好地模拟反射的光照效果。但需要注意的是,虽然做法类似,这里环境贴图的和Mentalray等离线渲染器做HDR渲染还是不一样的。虚拟演播系统的实时渲染引擎只是将环境贴图做UV变形后与物体原纹理相混合(加性处理),而不是真正计算了光照反射。表现光感的另一种基本方法是“烘焙(bake/rendertotexture)”。一个虚拟场景的实际渲染效果,一方面取决于其本身的材质贴图,另一方面光照阴影也至关重要。虚拟演播系统的实时渲染引擎只能正确渲染场景物体的位置和材质信息,对于离线建模软件设置的光照等渲染属性不做处理,导致了场景最终与离线渲染的设计效果相差甚远。“烘焙”即是解决此问题的一个基本方法,通过3dsMax、Maya中对渲染单元的设置,将场景中的光影信息离线渲染至场景物体的纹理材质上,使场景在导入虚拟演播系统时,除其本身的纹理材质外,将整个场景的光影效果一起携带,这样,实时渲染的虚拟场景,能够近似达到原先的设计效果。然而,各离线渲染器对于烘焙这一技术的支持度不尽相同,且大多数只支持简单光照模型下的扫描线算法(scanline),这使得光能映射、光线追踪、散焦这些离线渲染的利器无法使用,效果也只能算是中规中矩,光感丰富但真实感依然欠佳。通过对Vray渲染器相关功能的一些摸索,笔者发现Vray的一些设置可以用于烘焙技术,下面是Vray渲染的效果图和烘焙后实时渲染引擎中的渲染效果(测试场景取自EvermotionArchInterior资源)。图4中可以看到,即使事先计算了40M的光子图(photonmap),Vray渲染器依然用了5分多钟来渲染单帧,说明离线渲染算法是不可能用于实时渲染引擎的。另一方面,烘焙后场景在虚拟演播系统中的表现与Vray效果图几无区别,这证明了通过细致调节渲染参数,利用烘焙技术完全可以产生足够真实的虚拟场景。二、实时染化技术光效贴图和纹理烘焙两种方法结合使用,可以解决很大一部分虚拟演播室场景设计上的问题,而且处理手段都不复杂。然而,我们还是要追求有关光感、有关光线折反射更深入的解决方案。事实上,实时渲染(realtime-rendering)作为计算机图形学的一个重要分支,从上世纪70年代末开始得到了一次又一次的技术推进,随着近年来算法的演进和硬件的增强,在场景漫游、游戏设计领域已经成为难以撼动的基石。本质上说,虚拟演播系统的渲染引擎和三维游戏的图形引擎并无不同,因此,金属的反射、水晶的折射这些复杂效果应该完全可以用实时渲染引擎自己的特性来表现。我们不妨借鉴其他领域,看看同为实时渲染,别的引擎上使用了怎样的技术。Cryengine2是Crytek开发的游戏引擎,极具真实感的图形部分使其被广为称赞,图6中水面的倒影栩栩如生,令人叹服。实时渲染引擎能够达到如此逼真的效果,得益于GPU技术的发展。GPU和CPU的分离,使有关图形处理的运算从CPU中解放出来,从架构上提升了系统处理图形的能力,形成了如下的流水线模型(摘自NVIDIA官方手册)。从顶点变换到光栅化操做,这样的流水线按部就班地完成了传统图形处理的全过程。虽然性能提高了,但效果上却没有改进。为了进一步为实时渲染提供效果上的提升,可编程渲染管线被提出,在原先顶点处理阶段和像素处理阶段加入了片段程序以介入渲染过程,改进后的流水线如图8所示。相应的,用于片段程序的描述语言被开发出来,称为ShadingLanguage,如微软的HLSL、OpenGLARB的GLSL,以及NViadia的Cg(Cforgraphics)。下面以实时渲染环境下的反射模拟来说明这样一种光感表现方式。GPU运算下的环境贴图算法(EnvironmentMapping)如图9所示。根据入射角度和物体表面法线方向,计算出反射光线,将其投射至作为环境的贴图上,查询相应的像素值,与物体表面的像素值按反射率进行混合,算法和部分代码如图10所示(开发环境MicrosoftVisualC++2008)。同时,渲染引擎根据物体位置动态生成环境贴图(cubemap),用这种方法可以生成场景中的实时动态反射。图11是在OGRE渲染引擎中,对上述想法的简略实现,图12是使用烘焙技术制作的反射效果。可以看出,烘焙方式产生更为柔和的反射效果,但是当物体位置发生改变之后,其表面的光影信息由于固化在物体的材质贴图中,不会发生相应的改变。而GPU编程实现的反射则可以根据物体的位置角度、甚至反射率做相应变化,相比之下更为真实。三、虚拟场景的表现问题虽然对于虚拟演播系统的表现效果有多种评价方式,然而大家对于真实感总有永无止境的追求。至此,本文介绍了包括光效贴图、烘焙贴图以及GPU编程多种增强实时渲染环境下虚拟场景光感的手段,希望能够为虚拟演播室效果的提升提供一些思路。必须说明的是,GPU编程的实现方式相比前两种复杂得多,且对于目前虚拟演播系统的实时渲染引擎,能否支持GPU程序还有待考察,相关的接口也许还需要开发。然而,在保持操控性的同时,坚持跟上实时渲染的技术进步,应当是虚拟演播技术的一个发展趋势。因此,掌握更多更新的制作手段,以不断提高场景的真实感和表现力,也应当是我们努力的目标。近年来,随着色键处理技术的进步,摄像机跟踪定位技术的成熟,以及计算机图形学的发展,虚拟演播技术得到了更多更广泛的实践。电视节目也得以在相对低廉的制作成