CN107248190A - 一种三维游戏引擎的场景图设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案包括一种三维游戏引擎的场景图设计方法和系统，用于实现：对场景图进行空间处理，包括对场景图使用空间层次结构和/或空间树结构进行展开，其中空间层次结构和/或空间树结构中的各节点引入了当前子树的坐标系，同时，各节点还将维护相应的转换操作以及包围体；对场景图的渲染状态进行处理，构造潜在对象可见集，采用后处理操作并根据渲染状态对对象可见集执行排序操作，以及，分离剔除操作和绘制操作。本发明的有益效果为：缩短场景系统开发周期，增强代码可维护性与可重用性，增强游戏的体验和表现，提高大量场景对象绘制效率；考虑了空间一致性；提高了渲染效率。

Description

一种三维游戏引擎的场景图设计方法及系统

技术领域

本发明涉及一种三维游戏引擎的场景图设计方法及系统，属于计算机游戏领域。

背景技术

大多数游戏均会涉及大量的对象，绘制方案颇为低效，其原因在于，某些对象可见，而多数对象均处于不可见状态。针对不可见对象，渲染器需花费大量的时间确认全部三角形是否位于视锥体外部，且主要时间均用于剔除背面三角形以及剪裁剔除正面三角形上。

即使可有效地测试对象是否部分或全部位于视锥体内部，然而，大多数游戏的方案仍缺乏应有的高效性，且未考虑空间一致性和渲染器状态一致性之特征。

发明内容

本发明的技术方案针对现有技术的缺陷，对一般游戏场景系统实现的现状与造成的原因加以深入分析，分析场景系统有哪些流程上的特点，以及有哪些小粒度可重用的组件，总结了一种三维游戏引擎的场景图设计方法及系统，以达到大大缩短场景系统开发周期，增强代码可维护性与可重用性，增强游戏的体验和表现，提高大量场景对象绘制效率的目的。

本发明的技术方案包括一种三维游戏引擎的场景图设计方法，其特征在于，该方法包括：对场景图进行空间处理，包括对场景图使用空间层次结构和/或空间树结构进行展开，其中空间层次结构和/或空间树结构中的各节点引入了当前子树的坐标系，同时，各节点还将维护相应的转换操作以及包围体；对场景图的渲染状态进行处理，构造潜在对象可见集，采用后处理操作并根据渲染状态对对象可见集执行排序操作，以及，分离剔除操作和绘制操作。

根据所述的三维游戏引擎的场景图设计方法，该方法还包括：更新几何状态，若场景几何状态发生变化时，更新用空间层次结构和/或空间树结构的空间信息，其中的空间信息包括顶点数据变化、转换变化及场景图拓扑结构变化；更新渲染器状态，若渲染器发生变化时，更新用空间层次结构和/或空间树结构提供的信息，其中提供的信息包括全局状态的绑定分离操作及场景图拓扑结构变化；剔除操作，当场景图几何状态发生变化时，实时确定场景图潜在对象可见集；绘制操作，绘制潜在可见对象集。

根据权所述的三维游戏引擎的场景图设计方法，该方法还包括：所述对场景图的渲染状态进行处理中的分离剔除操作和绘制操作包括单次处理生成潜在可见集，其中的生成过程无需渲染器对应绘制数据的参与。

根据所述的三维游戏引擎的场景图设计方法，该方法还包括：对几何体类、顶点和索引类、光照和视效类、空间类的场景图进行对应的空间及渲染状态处理。

本发明的技术方案还包括一种三维游戏引擎的场景图设计系统，其特征在于，该系统包括：空间处理模块，用于对场景图使用空间层次结构和/或空间树结构进行展开，其中空间层次结构和/或空间树结构中的各节点引入了当前子树的坐标系，同时，各节点还将维护相应的转换操作以及包围体；渲染状态处理模块，用于构造潜在对象可见集，采用后处理操作并根据渲染状态对对象可见集执行排序操作，以及，分离剔除操作和绘制操作。

本发明的有益效果为：大大缩短场景系统开发周期，增强代码可维护性与可重用性，增强游戏的体验和表现，提高大量场景对象绘制效率；考虑了空间一致性；若视见体远小于对象所处的场景世界，则可根据前述知识对大多数对象进行定位；可将场景世界划分为多个单元，若已知当前某一或多个单元包含视锥体，则只需遍历该单元或多个单元中的内容即可。该组织方案可有效地降低对象的可见测试数量；考虑了渲染器状态一致性，若对象根据其渲染状态进行排序，则可有效地改善渲染效率。

附图说明

图1所示为根据本发明实施方式的总体流程图；

图2a，2b所示为根据本发明实施方式的层次结构图；

图3a，3b所示为根据本发明实施方式的场景图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的三维游戏引擎的场景图设计方法及系统适用于游戏场景图的设计。

图1所示为根据本发明实施方式的总体流程图。对场景图进行空间处理，包括对场景图使用空间层次结构和/或空间树结构进行展开，其中空间层次结构和/或空间树结构中的各节点引入了当前子树的坐标系，同时，各节点还将维护相应的转换操作以及包围体；对场景图的渲染状态进行处理，构造潜在对象可见集，采用后处理操作并根据渲染状态对对象可见集执行排序操作，以及，分离剔除操作和绘制操作。进而生成对应的场景图。

其中还包括针对不同场景图的类型使用对应的接口进行处理，其详细如下(1)～(6)所示：

(1)几何体类。桌子对象由模型顶点集形式的几何信息构成，该信息存储于数组中。通常情况下，桌子对象采用三角形网格进行建模，三角形定义为顶点3元组，并采用一致顺序排列。从显示角度来看，观察者可据此分辨出三角形的正面朝向以及背面朝向。针对正面三角形，方案是使用逆时针排列顺序：当观察者察看三角形平面时，且该平面包含指向观察者一侧的法线向量，则三角形顶点将以逆时针顺序排列。多数时候，三角形信息可定义为索引3元组集合，并以此搜索顶点数组。因此元组将引用某一三角形。与游戏场景中使用的模型单元相比，最终的模型单元尺寸可能会发生变化。或者，与建模软件包生成的模型相比，该模型将采用不同的尺寸进行绘制。针对于此，美术可使用缩放功能以对上述情况进行调整。该操作支持非均匀缩放，即各空间维度的缩放结果彼此无关。模型所占据的空间区域可通过模型包围体表示，且多采用球体、盒体以及其他更为简单的对象，进而包围当前对象的全部顶点。此类信息多采用过程式方案生成且无须使用美术所提供的输入数据。针对模型与观察者之间的可见性，模型包围体提供了有效的识别手段。几何体类封装了全部模型信息，包括美术创建的信息，以及在此基础上采用过程式方案生成的信息。

(2)顶点和索引缓冲类。在本方案中，顶点位置和几何体对象的其他属性均存储于顶点缓冲区中，并称之为“结构数组”。其中，各结构包含了某一顶点的全部信息，对应类定义为顶点缓存。对应数据则存储于索引缓冲区中，即索引缓存类。这里，两个缓冲区类均视为数据容器且包含可绑定接口，并将系统内存缓冲区与视频内存中对应的绘制缓冲区进行关联。

(3)光照和视效类。几何体对象包含渲染器所需的全部信息，进而实现正确的绘制操作。这里，数据的应用方式取决于当前对象绑定的特效，或层次结构前驱节点绑定的全局视效。此类视效包括动态光照并通过灯光对象表示，其中，灯光对象绑定于层次结构路径中并通向几何体对象。相关视效还包括局部视效并通过如下方式获得：将着色视效对象绑定至几何体对象上。本方案同时支持多个视觉视效。另外，对应的渲染系统可自动提供多路渲染操作以处理多个视觉视效。几何体对象也将受到全局视效的影响并可通过如下方式获得：将视效对象绑定至几何体对象的前驱结点上。

(4)空间类。美术负责创建桌子对象以及房间对象，且二者通常采用独立的建模步骤。当与房间对象协同工作时，可方便地加载创建完毕的桌子对象，并将其置于房间中。二者创建于各自的坐标系。当放置桌子对象时，该对象须经过平移操作、旋转操作甚至是缩放操作。当前操作始于房间对象(父对象)，并使用房间坐标系将桌子(子对象)置于房间中。同时，房间自身还可能相对于其他对象进行定位。例如，房间可局部转换至房屋整体坐标系中。此处，房屋坐标系用作游戏的世界坐标系，因而包含各对象模型空间至世界空间的世界转换。除此之外，模型空间内的对象包围体在世界空间内包含对应的世界包围体，对应结果可通过如下方式获得:将世界转换应用于模型包围体上。局部转换、世界转换以及世界包围体均封装于空间类中。

(5)节点类。在上述(4)房屋、房间以及桌子示例中，另一个问题则与局部转换和世界转换相关。如图2a所示，考察下列情形：房屋内包含两个房间，某一房间内添加了一张桌子和一把椅子，桌面上摆放了一个盘子以及一副刀叉，下图显示了对象层次结构。其中，各对象表示为层次结构中的一个节点。

这里，各个对象均独立创建。针对子对象与其父对象之间的相对位置，层次结构体现了一种父子关系。盘子、餐刀以及餐叉包含了相对于桌子的局部转换；桌子和椅子包含了相对于房子的局部转换；房间1和房间2则包含了相对于房屋的局部转换。另外，各个对象还包含了相应的世界转换，并可直接定位于场景世界中。

结点类包含了层次结构中的对象分组行为，组合转换可通过父子树的深度优先遍历实现。其中，各个父节点针对其子节点提供了自身的世界转换操作，进而计算世界转换结果，该过程通常以递归方式执行，并沿层次结构向下转播(从根节点至叶节点)。

各对象均包含与自身关联的模型包围体,但独立节点则不包含模型包围体且仅负责执行对象的分组操作(但可赋予世界包围体)。

当在场景节点处调整局部转换时，须遍历子树(其根节点为当前节点)以重新计算世界转换。然而，世界转换的变化也会引发世界包围体的改变。当转换操作沿层次结构向下传播时，新的世界包围体需在当前子节点处重新计算，并沿层次结构向上传递(从叶节点至根节点)至父节点，进而计算父节点的世界包围体。通过世界转换，模型包围体可转换为世界包围体。同时，子节点处的世界转换还取决于其父节点的世界转换。世界包围体的重计算出现于下行遍历层次结构时。相应地，下行遍历和上行遍历统称为几何更新。

(6)控制器和修改器类。引擎通过控制器实现对动画操作的支持，对应抽象基类为控制器类。转换控制器是一类控制器，例如关键帧控制器和逆向动力学控制器。针对关键帧控制器，美术根据当前对象(即该对象层次结构中的节点)提供了一组位置和方向数据集。关键帧控制器将对关键帧执行插值计算，进而在一段时间内生成平滑的运动视效。针对逆向动力学控制器，对象的位置和旋转常通过某些约束条件加以确定，且需要对象位于特定结构中。顶点和法线控制器常用于变形操作；渲染器状态控制器则用于各种视效的动画操作。索引控制器可动态调整三角形网格或三角带。修改器体现了应用于顶点、法线以及索引集上的附加语义，抽象类几何体定义为此类数据项的容器。另外，派生于几何体类的三角网格类是主修改器，并向基类提供索引值。其它还包括三角条带类，其中，该类隐式地生成索引并提供至几何体基类。

本发明的技术方案还将其他几何类也是几何体类的修改器，包括点类以及多段线类，且均可表示为顶点修改器。粒子系统类继承于三角网格类，其中，粒子作为矩形“广告牌”进行绘制(三角形网格将三角形对存储为矩形)，因而是索引修改器。然而，粒子的物理特征应与点的位置数据进行关联。此时，粒子系统表示为几何体类的顶点修改器。

图2a，2b所示为根据本发明实施方式的层次结构图。图2b对应于图2a的新型层次结构，且几何对象仅可为叶节点，并通过椭圆形表示，矩形则用于表示分组节点。由于桌子表示为几何对象，且无法定义为树形结构中的内部节点，因而须添加桌子集节点。这里，餐具对象(盘子、餐刀、餐叉)均为桌子的子对象。为了维护当前结构，可加入餐具节点以聚合餐具对象。为了有效地维护原始层次结构的转换结构，桌子集赋予了桌子所拥有的转换操作，卓最和餐具则分别赋予单位恒等转换，进而确保餐具集和餐具集位于同一坐标系中。最终，餐具对象的位置和方向将使用与图1所示层次结构相同的转换操作。

图3a，3b所示为根据本发明实施方式的场景图。图3a对应于房屋和两个房间的场景图。其中，各房间包含相同的几何模型数据，即房间布局。图3b为3a对应的场景图，但在底层(几何数据)而非某一节点级别执行实。空间层次结构系统定义为树形结构，除了根节点之外，各树节点均包含一个父节点。这里，可将空间层次结构视为场景图的骨架，由于对象系统支持共享机制，因而场景图实为一类抽象图。若某一对象被两个其他对象共用，则首个对象应存在两个对象实例。对象的共享机制称做实例化操作。这里，不可对空间层次结构中的节点进行实例化操作，并可通过如下方式加以强调，即空间对象仅包含一个父链接，且不可包含多个父对象。

层次结构节点可包含多个父节点，如图3a所示。另外，场景图描述为包含两个房间的房屋对象。其中，房间共享同一几何模型数据，并可视为同一模型数据的多个实例，对应的数据结构可表示为有向无环图。房屋节点与房间节点之间包含两个有向弧，各房间节点包含指向房间集叶节点的有向弧，因而共享房间集。共享机制可有效地降低游戏应用程序的存储空间以及美术的工作量，因而无须针对各个对象生成对应模型。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (5)

1.一种三维游戏引擎的场景图设计方法，其特征在于，该方法包括：

对场景图进行空间处理，包括对场景图使用空间层次结构和/或空间树结构进行展开，其中空间层次结构和/或空间树结构中的各节点引入了当前子树的坐标系，同时，各节点还将维护相应的转换操作以及包围体；

对场景图的渲染状态进行处理，构造潜在对象可见集，采用后处理操作并根据渲染状态对对象可见集执行排序操作，以及，分离剔除操作和绘制操作。

2.根据权利要求1所述的三维游戏引擎的场景图设计方法，其特征在于，该方法还包括：

更新几何状态，若场景几何状态发生变化时，更新用空间层次结构和/或空间树结构的空间信息，其中的空间信息包括顶点数据变化、转换变化及场景图拓扑结构变化；

更新渲染器状态，若渲染器发生变化时，更新用空间层次结构和/或空间树结构提供的信息，其中提供的信息包括全局状态的绑定分离操作及场景图拓扑结构变化；

剔除操作，当场景图几何状态发生变化时，实时确定场景图潜在对象可见集；

绘制操作，绘制潜在可见对象集。

3.根据权利要求1所述的三维游戏引擎的场景图设计方法，其特征在于，该方法还包括：

所述对场景图的渲染状态进行处理中的分离剔除操作和绘制操作包括单次处理生成潜在可见集，其中的生成过程无需渲染器对应绘制数据的参与。

4.根据权利要求1所述的三维游戏引擎的场景图设计方法，其特征在于，该方法还包括：

对几何体类、顶点和索引类、光照和视效类、空间类的场景图进行对应的空间及渲染状态处理。

5.一种三维游戏引擎的场景图设计系统，其特征在于，该系统包括：

空间处理模块，用于对场景图使用空间层次结构和/或空间树结构进行展开，其中空间层次结构和/或空间树结构中的各节点引入了当前子树的坐标系，同时，各节点还将维护相应的转换操作以及包围体；

渲染状态处理模块，用于构造潜在对象可见集，采用后处理操作并根据渲染状态对对象可见集执行排序操作，以及，分离剔除操作和绘制操作。