游戏开发中基于图像的渲染技术总结(三)

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游戏开发中基于图像的渲染技术总结(一)
游戏开发中基于图像的渲染技术总结(二)

九、公告板云 Billboard Clouds

使用Imposters的一个问题是渲染的图像必须持续地面向观察者。如果远处的物体正在改变方向,则必须重新计算Imposters的朝向。而为了模拟更像他们所代表的三角形网格的远处物体,D´ecoret等人提出了公告板云(Billboard Clouds)的想法,即一个复杂的模型通常可以通过一系列的公告板集合相互交叉重叠进行表示。我们知道,一个真实物体可以用一个纸模型进行模拟,而公告板云可以比纸模型更令人信服,比如公告板云可以添加一些额外的信息,如法线贴图、位移贴图和不同的表面材质。另外,裂纹沿裂纹面上的投影也可以由公告板进行处理。而D´ecoret等人也提出了一种在给定误差容限内对给定模型进行自动查找和拟合平面的方法。

如下是在UNIGINE Engine(注意这不是虚幻引擎,经常会被看错)中基于Billboard Clouds技术创建云层效果的一个示例:

图24 Billboard Clouds技术创建云层示例图 @UNIGINE Engine

图25 Billboard Clouds技术创建云层的最终效果图 @UNIGINE Engine

十、图像处理 Image Processing

图像处理的过程,一般在像素着色器中进行,因为在像素着色器中,可以很好地将渲染过程和纹理结合起来,而且在GPU上跑像素着色器,速度和性能都可以满足一般所需。

一般而言,首先需要将场景渲染成2D纹理或者其他图像的形式,再进行图像处理,这里的图像处理,往往指的是后处理(post effects)。而下文将介绍到的颜色校正(Color Correction)、色调映射(Tone Mapping)、镜头眩光和泛光(Lens Flare and Bloom)、景深(Depth of Field)、运动模糊(Motion Blur),一般而言都是后处理效果。

图26 使用像素着色器进行图像处理。左上为原始图像;右上角为高斯差分操作的图像,左下为经过边缘检测的图像,右下为边缘检测与原图像的混合。

十一、颜色校正 Color Correction

色彩校正(Color correction)是使用一些规则来转化给定的现有图像的每像素颜色到其他颜色的一个过程。颜色校正有很多目的,例如模仿特定类型的电影胶片的色调,在元素之间提供一致的外观,或描绘一种特定的情绪或风格。一般而言,通过颜色校正,游戏画面会获得更好的表现效果。

图27 左图是准备进行颜色校正的原图。右图是通过降低亮度,使用卷积纹理(Volume Texture),得到的夜间效果。@Valve

颜色校正通常包括将单个像素的RGB值作为输入,并向其应用算法来生成一个新的RGB。颜色校正的另一个用途是加速视频解码,如YUV色彩空间到RGB色彩空间的转换。基于屏幕位置或相邻像素的更复杂的功能也可行,但是大多数操作都是使用每像素的颜色作为唯一的输入。

对于一个计算量很少的简单转换,如亮度的调整,可以直接在像素着色器程序中基于一些公式进行计算,应用于填充屏幕的矩形。

而评估复杂函数的通常方法是使用查找表(Look-Up Table,LUT)。由于从内存中提取数值经常要比复杂的计算速度快很多,所以使用查找表进行颜色校正操作,速度提升是很显著的。

图28 原图和经过色彩校正后的几幅效果图 @Unreal 4 Engine

图29 原图和经过颜色校正的效果图 @Crysis

十二、色调映射 Tone Mapping
 
计算机屏幕具有特定的亮度范围,而真实图像具有更巨大的亮度范围。色调映射(Tonemapping),也称为色调复制(tone reproduction),便是将宽范围的照明级别拟合到屏幕有限色域内的过程。

色调映射与表示高动态范围的HDR和HDRI密切相关:

HDR,是High-Dynamic Range(高动态范围)的缩写,可以理解为一个CG的概念,常出现在计算机图形学与电影、摄影领域中。

HDRI是High-Dynamic Range Image的缩写,即HDR图像,高动态范围图像。

而实际过程中,HDR和HDRI两者经常会被混用,都当做高动态范围成像的概念使用,这也是被大众广泛接受的。

本质上来讲,色调映射要解决的问题是进行大幅度的对比度衰减将场景亮度变换到可以显示的范围,同时要保持图像细节与颜色等表现原始场景的重要信息。

根据应用的不同,色调映射的目标可以有不同的表述。在有些场合,生成“好看”的图像是主要目的,而在其它一些场合可能会强调生成尽可能多的细节或者最大的图像对比度。在实际的渲染应用中可能是要在真实场景与显示图像中达到匹配,尽管显示设备可能并不能够显示整个的亮度范围。

图30 经过色调映射得到的高动态范围图像 @新西兰惠灵顿圣保罗教堂

未完待续......

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