CN103995700A - 一种3d游戏引擎全局照明的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D游戏引擎全局照明的实现方法，主要包括：通过场景中环境光、漫反射和高光一起相互作用，生成直接光照；通过渲染场景中的几何模型，进行处理，生成间接光照；将生成的直接光照和间接光照的各个漫反射和高光分别进行加法运算，得到所需全局照明。本发明所述3D游戏引擎全局照明的实现方法，可以克服现有技术中全局照明难度大、渲染效果差和运行效率低等缺陷，以实现全局照明难度小、渲染效果好和运行效率高的优点。

Description

一种3D游戏引擎全局照明的实现方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，具体地，涉及一种3D游戏引擎全局照明的实现方法。

背景技术

电子游戏是时下最受欢迎的娱乐休闲方式之一，而随着电子游戏历经30多年发展的今天，越来越逼真的3D图形化游戏引擎技术已成为当今游戏领域的重中之重，其中光照效果的实现与处理运用是体现游戏3D效果的重要环节受到国内外游戏引擎和图形技术研究者的重视。

目前3D游戏开始采用光能传递渲染技术实现游戏场景中的全局照明，这种技术可以通过光的无限反射原理模拟真实世界中光对物体的影响效果，得到标准的扫描线渲染无法还原的真实图像效果。然而这类全局照明依然存在较大的局限性和不足，其执行效率无法满足游戏中的大规模场景和物件的渲染，同时这类渲染技术在对动态物体渲染时无法获得足够的渲染时间以应对运动中的物体呈现色彩光照效果的变化导致实际渲染效果不准确甚至影像跳动。

现有的主流3D游戏引擎中并没有完备的技术手段去解决上述问题，由于执行效率低下和动态物体光照效果处理不理想，大部分游戏放弃了使用该类技术以牺牲画面美术效果的预加载光照方式换取更高的运行效率。

综上所述，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在全局照明难度大、渲染效果差和运行效率低等缺陷。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种3D游戏引擎全局照明的实现方法，以实现全局照明难度小、渲染效果好和运行效率高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种3D游戏引擎全局照明的实现方法，主要包括：

a、通过场景中环境光、漫反射和高光一起相互作用，生成直接光照；

b、通过渲染场景中的几何模型，进行处理，生成间接光照；

c、将生成的直接光照和间接光照的各个漫反射和高光分别进行加法运算，得到所需全局照明。

进一步地，所述步骤b，具体包括：

渲染场景中的几何模型，生成光源RSM；

基于生成的光源RSM，采用MTR技术生成两张渲染目标，对场景中的增加虚拟的点光源，通过着色方程等算出一个点光源对场景中的一个点的贡献值；

通过数学积分计算算出多个点光源对场景中这个点的贡献值，结合采用MTR技术生成的渲染目标，得到间接光照的所需要的信息。

进一步地，所述步骤b，具体还包括：

基于所得间接光照所需信息，在基于原分辨率1/4的分辨率条件下，运用UPSAMPLE和BLUR的方法对画面进行优化处理，生成逼真的真实画面。

进一步地，所述运用UPSAMPLE和BLUR的方法对画面进行优化处理的操作，具体包括：

基于SII技术和RSM技术，在Light空间下渲染场景，每个像素除了记录Normal和Flux，以及Position和Phong；

基于所得渲染场景，进行Splatting投射：在RSM中均匀采样一定数量的pixel lights，然后每一个pixel lights被当作一个VPL，每一个VPL有个辐射通量的区域，并投射到显示屏幕上；

通过采样像素光源所影响的区域以及对这些范围进行着色，实现逼真可信的Indirect Illumination间接光照效果。 

进一步地，在所述通过采样像素光源所影响的区域以及对这些范围进行着色的操作中，对采样的像素的影响区域进行计算的操作，具体包括：

首先在场景中增加VPL，通过间隔均匀采样棋盘格式的方法，计算每一个点光源影响的像素范围，计算方法如下：

                   （1）；

通过公式（1），计算F（X）的最大值，来确定椭圆的位置，对F（X）求导，当F取最大值的时候，得到x的值为C（n），而C（n）表示为：

                  （2）；

C（n）就是椭圆的中心，而F（C（n））就是椭圆的高度，W（n）=max（C（n），1-C（n））表示椭圆的宽度，从图中看出n越大 椭圆轨迹越狭窄，n越小椭圆的轨迹就越宽阔。

进一步地，在所述通过采样像素光源所影响的区域以及对这些范围进行着色的操作中，每个像素的着色模式，具体包括：

在RSM思路中，每一个Light View 的RSM中出现的点，都是对场景的间接光照都是有贡献的；设想它是无限的小的，那么它在方向上发出的光强就是：

           （3）；

同理，利用以上的RSM得到对每个场景的点x，就能够得到RSM中的参数坐标，近似采样为坐标附近的一些像素作为设置的像素光源，设x点的法线为n，那么每个像素的pixel light（设为p），对x点的贡献辐射度为：对于任意的一点x及其向量n来说，每个像素对x的光照贡献辐射度就是：

 （4）；

其中，Φ是辐射量；

场景中所用采样的pixel光照都能够通过积分求和得到：

           （5）。

 

进一步地，所述步骤a，具体包括：

采用通用的光照公式计算，即Phong光照模型来实现直接光照效果：

；

——环境光的系数和强度有关；

——漫反射由法线和光照方向决定；

——高光由视角向量和发射向量决定；

Ka、Kd、Ks分别是环境、漫反射和镜面系数；la是环境光的强度，ld是漫反射光照的强度，ls是镜面发射的强度；N、R、V、L分别是法向量、反射向量，视角向量和光照的方向，n为镜面反射系数，调整视角向量和反射向量之间的角度值。

本发明各实施例的3D游戏引擎全局照明的实现方法，由于主要包括：通过场景中环境光、漫反射和高光一起相互作用，生成直接光照；通过渲染场景中的几何模型，进行处理，生成间接光照；将生成的直接光照和间接光照的各个漫反射和高光分别进行加法运算，得到所需全局照明；可以提供执行效率更优秀同时解决当前动态物体受光表现问题，为3D游戏的画面效果提供更逼真的画面表现；从而可以克服现有技术中全局照明难度大、渲染效果差和运行效率低的缺陷，以实现全局照明难度小、渲染效果好和运行效率高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明3D游戏引擎全局照明的实现方法中椭圆的轨迹范围和包围盒的显示效果图；其中，（a）显示n=1时椭圆轨迹区域和包围盒的显示效果，（b）显示n=10时椭圆轨迹区域和包围盒的显示效果；

图2为本发明3D游戏引擎全局照明的实现方法中全局光照的构成图；

图3为本发明3D游戏引擎全局照明的实现方法中直接光照流程图；

图4为本发明3D游戏引擎全局照明的实现方法中间接光照流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

为弥补现有技术的不足，根据本发明实施例，如图1、图2、图3和图4所示，提供了一种3D游戏引擎全局照明的实现方法，涉及3D游戏、全景漫游开发技术领域，尤其涉及3D游戏引擎及应用其开发3D电子游戏的方法。

本实施例的3D游戏引擎全局照明的实现方法，涉及在游戏中计算全局照明的实现方法，随着计算机图形技术的不断深入和普及，人们对游戏画面的逼真度要求越来越高，光照效果的计算是生成逼真图形的基础，想要获得真实感的图形本发明不仅需要计算直接光照，还需要间接光照。对于现有的技术来说直接光照的技术简单而且已经成熟。

下面本发明大概的讲述一下两种光照的实现方法。直接光照是由环境光，漫反射，高光一起相互作用产生的一种光照效果，而间接光照的实现的方法是本发明本发明要重点说明的，首先本发明渲染场景中的几何模型，生成光源Reflective shadow map（简称RSM），然后采用MTR技术生成两张渲染目标，然后对场景中的增加虚拟的点光源，通过着色方程等算出一个点光源对场景中的一个点的贡献值，然后通过数学积分计算算出多个点光源对场景中这个点的贡献值，然后结合上面的渲染目标就可以得到间接光照的所需要的信息，进一步在本发明在基于原分辨率1/4的分辨率条件下，运用UPSAMPLE和BLUR的方法对画面进行优化处理，从而生成逼真的真实画面，最后本发明将直接光照和间接光照叠加在一起就是所说的全局照明。这样本发明可以在低分辨率下的到高质量的画面效果，大大提高了执行的效率。

本实施例的3D游戏引擎全局照明的实现方法，根据3D游戏自身的技术特点和3D游戏引擎的一般功能结构，本发明提供了能执行效率更优秀同时解决了当前动态物体受光表现问题，为3D游戏的画面效果提供了更逼真的画面表现。本发明提供的3D游戏引擎全局照明的实现方法的实现原理如下：

第一：直接光照，本发明采用通用的光照公式计算，即Phong光照模型来实现这个效果：

；

——环境光的系数和强度有关；

——漫反射是由法线和光照方向决定的；

——高光是由视角向量和发射向量决定的。

Ka、Kd、Ks分别是环境，漫反射和镜面系数。根据本发明的表面的反射的系数，这些参数被制定为范围在0到1的常量值。如果本发明想要一个高反射率的表面，本发明要设置Kd和Ks 的值接近1，这将产生一个光亮的表面，在光直接照射的地方有一个高强度的高光，为了模拟一个高吸光率的表面，本发明设置反射率的值接近0.

la是环境光的强度，ld是漫反射光照的强度，ls是镜面发射的强度。N、R、V、L分别是法向量，反射向量，视角向量和光照的方向，n为镜面反射系数，调整视角向量和反射向量之间的角度值。在一个光滑的表面有一个狭窄的光照范围（这两个之间的夹角很小），因此在一个非常光滑的表面将会产生一个大的n值（100左右），在一个粗糙黯淡的表面有一个大概等于0.5的值。

综上所述，直接光照的方程很简单，不需要很复杂的算法。本发明在像素shader中利用上面公式来计算该光照模型的每个像素的最终颜色。

 

第二：基于Splatting Indirect Illumination（简称SII），使用了Reflective shadow map（简称RSM）的技术的思想，在Light空间下渲染场景，每个像素除了记录Normal和Flux，以及Position和Phong，这些数据在后面用来计算像素受光照的影响的强弱程度，本发明称这个数据就称为RSM。

Splatting是一个投射的过程，首先在RSM中均匀采样一定数量的pixel lights，然后每一个pixel lights被当作一个Virtual point light（VPL），每一个VPL有个辐射通量的区域，并投射到显示屏幕上。用来实现逼真可信的Indirect Illumination间接光照效果。 

具体的间接光照中重要的步骤本发明是通过采样像素光源所影响的区域以及对这些范围进行着色来实现的。

下面重点讲述采样的像素的影响区域的计算：

首先在场景中增加VPL（virtual point light），本发明通过间隔均匀采样棋盘格式的方法，计算每一个点光源影响的像素范围，计算方法如下：

通过对图1中半球曲面的研究本发明得出一个明确的函数：

                   （1）；

上述表达式本发明可以计算F（X）的最大值，来确定椭圆的位置，对F（X）求导，当F取最大值的时候，得到x的值为C（n），而C（n）可以表示为，

                  （2）；

C（n）就是椭圆的中心，而F（C（n））就是椭圆的高度，W（n）=max（C（n），1-C（n））表示椭圆的宽度，从图中看出n越大 椭圆轨迹越狭窄，n越小椭圆的轨迹就越宽阔。

而本发明采用的是计算公式里取的是当n=1是Phong指数的值作为参数计算间接光照的。

如图1是椭圆轨迹（黑色曲面）的范围和包围盒（灰色曲线）的示意图。图1可以显示n=1和n=10时椭圆轨迹区域和包围盒的显示效果。

其中黑色曲线表示实际的VPL影响的实际表面，而灰色曲面是椭圆轨迹，用来包裹黑色曲面的包围盒，本发明生成的椭圆的轨迹可以计算VPL的影响范围，每个VPL都有一定椭圆轨迹来描述受影响像素的轮廓。

进一步本发明就来详细说明每个像素的着色模式。具体过程如下 ：

本发明知道在RSM思路中，每一个Light View 的RSM中出现的点，都是对场景的间接光照都是有贡献的。本发明可以设想它是无限的小的，那么它在方向上发出的光强就是：

           （3）；

同理，利用以上的RSM它可以得到对每个场景的点x，本发明就可以得到RSM中的参数坐标，本发明可以近似采样为坐标附近的一些像素作为设置的像素光源，设x点的法线为n，那么每个像素的pixel light（设为p），对x点的贡献辐射度为：对于任意的一点x及其向量n来说，每个像素对x的光照贡献辐射度就是：

 （4）；

其中，Φ是辐射量。

然后，本发明可以近似的看作，场景中所用采样的pixel光照都可以通过积分求和得到：

           （5）。

 

以上是的阐述是为了说明VPL对每个像素的影响范围的计算，本发明运用了一些高级推理和高等数学的思想；除此之外本发明还采用了降分辨率来计算光照值，本发明通过 Alphablend 混合模式，把所有的VPL影响的通量值叠加到像素，这样就可以让任意像素都可以受到周围的VPL叠加效果，在叠加VPL对像素的通量值的时候用的是绘制大量的同一实例进行加速。为了呈现逼真的画面效果本发明有使用了环境光遮蔽的技术，以达到对虚拟世界真实的模拟效果。

下面对本发明的实施方式作进一步详细的描述：

在本发明中，游戏引擎底层采用多项先进的光照处理算法和技术实现全局照明，同时通过多项处理优化方案进行实际功能和上层用可视化编辑模块对接实现的功能进行编辑从而完成整个全局照明技术的实现。底层设计通过三项主要技术处理得到最终的效果，同时针对三项主要技术做优化和线程并行处理提高运行效率，上层则通过界面化设计实现人机交互所需的直接操作接口，实现界面和底层渲染的信息交互，完成整个实现流程。

在本发明中，基于预计算的全局光照采用Fast Fake Global Illumination技术，通过场景铺设光照探针将每个探针对应场景的立方体纹理以球面调和函数计算，然后对范围内的物体进行光照调和产生间接光照效果，从而模拟真实自然环境中的光照效果，最终的处理结果将交由实时光照系统做进一步处理。

在本发明中，实时光照系统采用实时的光照算法，以Blinn-Phong为基本光照模型，同时支持Phong，Cook-Torrance，双向反射分布函数，菲涅尔方程构建最终的光照算法，同时采用延迟着色架构，延迟着色通过对3D场景进行后期照明处理，突破了以往渲染系统支持多重动态光源时，效率以及各种性能急剧下降的限制，使得一个3D场景可以支持的动态光源数量大大提高。它的技术思路主要是将3D场景的几何光照信息包括位置、法线、材质等信息渲染到目标物体上，把他们从世界的三维空间转变为屏幕的颜色空间，作为光照计算时的输入，再对场景中提出的一个动态光源使用这些信息进行计算受该光源影响后的临时结果，然后将该临时结果合成到储存结果的帧缓存上，再将这个临时结果提取对场景中的下一个动态光源进行一次计算，当遍历完所有动态光源针对这个临时结果的计算和处理后计算流程完毕，帧缓存中最后记录的即为实时光照处理渲染结果，该渲染结果将交由屏幕空间环境光遮蔽处理单元进行最终的效果后期处理。

在本发明中，优化处理方面，引擎首先对所有的光照运算进行多线程处理，CPU可并行处理三个所述三个主要技术环节的运算工作，同时针对CPU多核技术的并行处理引擎可以同时处理多帧的光照运算和后期处理结果，使得延迟着色等技术的运用对全局性延迟缩小到电子检测无法辨识的程度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3D游戏引擎全局照明的实现方法，其特征在于，主要包括：

a、通过场景中环境光、漫反射和高光一起相互作用，生成直接光照；

b、通过渲染场景中的几何模型，进行处理，生成间接光照；

c、将生成的直接光照和间接光照的各个漫反射和高光分别进行加法运算，得到所需全局照明。

2.根据权利要求1所述的3D游戏引擎全局照明的实现方法，其特征在于，所述步骤b，具体包括：

渲染场景中的几何模型，生成光源RSM；

基于生成的光源RSM，采用MTR技术生成两张渲染目标，对场景中的增加虚拟的点光源，通过着色方程等算出一个点光源对场景中的一个点的贡献值；

通过数学积分计算算出多个点光源对场景中这个点的贡献值，结合采用MTR技术生成的渲染目标，得到间接光照的所需要的信息。

3.根据权利要求2所述的3D游戏引擎全局照明的实现方法，其特征在于，所述步骤b，具体还包括：

基于所得间接光照所需信息，基于原分辨率1/4的分辨率条件下，运用UPSAMPLE和BLUR的方法对画面进行优化处理，生成逼真的真实画面。

4.根据权利要求3所述的3D游戏引擎全局照明的实现方法，其特征在于，所述运用UPSAMPLE和BLUR的方法对画面进行优化处理的操作，具体包括：

基于SII技术和RSM技术，在Light空间下渲染场景，每个像素除了记录Normal和Flux，以及Position和Phong；

基于所得渲染场景，进行Splatting投射：在RSM中均匀采样一定数量的pixel lights，然后每一个pixel lights被当作一个VPL，每一个VPL有个辐射通量的区域，并投射到显示屏幕上；

通过采样像素光源所影响的区域以及对这些范围进行着色，实现逼真可信的Indirect Illumination间接光照效果。

5.根据权利要求4所述的3D游戏引擎全局照明的实现方法，其特征在于，在所述通过采样像素光源所影响的区域以及对这些范围进行着色的操作中，对采样的像素的影响区域进行计算的操作，具体包括：

首先在场景中增加VPL，通过间隔均匀采样棋盘格式的方法，计算每一个点光源影响的像素范围，计算方法如下：

                   （1）；

通过公式（1），计算F（X）的最大值，来确定椭圆的位置，对F（X）求导，当F取最大值的时候，得到x的值为C（n），而C（n）表示为：

                  （2）；

C（n）就是椭圆的中心，而F（C（n））就是椭圆的高度，W（n）=max（C（n），1-C（n））表示椭圆的宽度，从图中看出n越大 椭圆轨迹越狭窄，n越小椭圆的轨迹就越宽阔。

6.根据权利要求5所述的3D游戏引擎全局照明的实现方法，其特征在于，在所述通过采样像素光源所影响的区域以及对这些范围进行着色的操作中，每个像素的着色模式，具体包括：

在RSM思路中，每一个Light View 的RSM中出现的点，都是对场景的间接光照都是有贡献的；设想它是无限的小的，那么它在方向上发出的光强就是：

           （3）；

同理，利用以上的RSM得到对每个场景的点x，就能够得到RSM中的参数坐标，近似采样为坐标附近的一些像素作为设置的像素光源，设x点的法线为n，那么每个像素的pixel light（设为p），对x点的贡献辐射度为：对于任意的一点x及其向量n来说，每个像素对x的光照贡献辐射度就是：

 （4）；

其中，Φ是辐射量；

场景中所用采样的pixel光照都能够通过积分求和得到：

           （5）。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的3D游戏引擎全局照明的实现方法，其特征在于，所述步骤a，具体包括：

采用通用的光照公式计算，即Phong光照模型来实现直接光照效果：

；

——环境光的系数和强度有关；

——漫反射由法线和光照方向决定；

——高光由视角向量和发射向量决定；

Ka、Kd、Ks分别是环境、漫反射和镜面系数；la是环境光的强度，ld是漫反射光照的强度，ls是镜面发射的强度；N、R、V、L分别是法向量、反射向量，视角向量和光照的方向，n为镜面反射系数，调整视角向量和反射向量之间的角度值。