原文作者：Jake Simpson
譯者： 向海
Email：GameWorldChina@myway.com  


第2部份: 3D環(huán)境的光照和紋理


世界的燈光
　　在變換過(guò)程中， 通常是在稱為觀察空間的坐標(biāo)空間中， 我們遇到了最重要的運(yùn)算之一: 光照計(jì)算。 它是一種這樣的事情， 當(dāng)它工作時(shí)，你不關(guān)注它，但當(dāng)它不工作時(shí)， 你就非常關(guān)注它了。有很多不同的光照方法，從簡(jiǎn)單的計(jì)算多邊形對(duì)于燈光的朝向，并根據(jù)燈光到多邊形的方向和距離加上燈光顏色的百分比值，一直到產(chǎn)生邊緣平滑的燈光貼圖疊加基本紋理。而且一些 API 實(shí)際上提供預(yù)先建造的光照方法。舉例來(lái)說(shuō)，OpenGL 提供了每多邊形，每頂點(diǎn)，和每像素的光照計(jì)算。  

　　在頂點(diǎn)光照中，你要決定一個(gè)頂點(diǎn)被多少個(gè)多邊形共享，并計(jì)算出共享該頂點(diǎn)的所有多邊形法向量的均值（稱為法向量），并將該法向量賦頂點(diǎn)。一個(gè)給定多邊形的每個(gè)頂點(diǎn)會(huì)有不同的法向量，所以你需要漸變或插值多邊形頂點(diǎn)的光照顏色以便得到平滑的光照效果。 你沒(méi)有必要用這種光照方式查看每個(gè)單獨(dú)的多邊形。 這種方式的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)�？梢允褂糜布�轉(zhuǎn)換與光照（T & L）來(lái)幫助快速完成。 不足之處是它不能產(chǎn)生陰影。 舉例來(lái)說(shuō)，即使燈光是在模型的右側(cè)，左手臂應(yīng)該在被身體投影的陰影中，而實(shí)際上模型的雙臂卻以同樣的方式被照明了。

　　這些簡(jiǎn)單的方法使用著色來(lái)達(dá)到它們的目標(biāo)。 當(dāng)用平面光照繪制一個(gè)多邊形時(shí)， 你讓渲染（繪制）引擎把整個(gè)多邊形都著上一種指定的顏色。這叫做平面著色光照。 (該方法中，多邊形均對(duì)應(yīng)一個(gè)光強(qiáng)度，表面上所有點(diǎn)都用相同的強(qiáng)度值顯示，渲染繪制時(shí)得到一種平面效果，多邊形的邊緣不能精確的顯示出來(lái)) 。

　　對(duì)于頂點(diǎn)著色 ( Gouraud 著色) ，你讓渲染引擎給每個(gè)頂點(diǎn)賦予特定的顏色。 在繪制多邊形上各點(diǎn)投影所對(duì)應(yīng)的像素時(shí)，根據(jù)它們與各頂點(diǎn)的距離，對(duì)這些頂點(diǎn)的顏色進(jìn)行插值計(jì)算。 (實(shí)際上Quake III 模型使用的就是這種方法， 效果好的令人驚奇)。  

　　還有就是 Phong 著色。如同 Gouraud 著色，通過(guò)紋理工作，但不對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)顏色進(jìn)行插值決定像素顏色值， 它對(duì)每個(gè)頂點(diǎn)的法向量進(jìn)行插值，會(huì)為每個(gè)頂點(diǎn)投影的像素做相同的工作。對(duì)于 Gouraud 著色，你需要知道哪些光投射在每個(gè)頂點(diǎn)上。對(duì)于 Phong 著色，你對(duì)每個(gè)像素也要知道這么多。  

　　一點(diǎn)也不令人驚訝， Phong 著色可以得到更加平滑的效果，因?yàn)槊總�(gè)像素都需要進(jìn)行光照計(jì)算，其繪制非常耗費(fèi)時(shí)間。平面光照處理方法很快速， 但比較粗糙。Phong 著色比 Gouraud 著色計(jì)算更昂貴，但效果最好，可以達(dá)到鏡面高光效果("高亮")。 這些都需要你在游戲開(kāi)發(fā)中折衷權(quán)衡。


不同的燈光
　　接著是生成照明映射，你用第二個(gè)紋理映射（照明映射）與已有的紋理混合來(lái)產(chǎn)生照明效果。這樣工作得很好， 但這本質(zhì)上是在渲染之前預(yù)先生成的一種罐裝效果。如果你使用動(dòng)態(tài)照明 (即，燈光移動(dòng)， 或者沒(méi)有程序的干預(yù)而打開(kāi)和關(guān)閉)，你得必須在每一幀重新生成照明映射，按照動(dòng)態(tài)燈光的運(yùn)動(dòng)方式修改這些照明映射。燈光映射能夠快速的渲染，但對(duì)存儲(chǔ)這些燈光紋理所需的內(nèi)存消耗非常昂貴。你可以使用一些壓縮技巧使它們占用較少的的內(nèi)存空間，或減少其尺寸大小， 甚至使它們是單色的 (這樣做就不會(huì)有彩色燈光了)，等等。 如果你確實(shí)在場(chǎng)景中有多個(gè)動(dòng)態(tài)燈光， 重新生成照明映射將以昂貴的CPU周期而告終。  

　　許多游戲通常使用某種混合照明方式。 以Quake III為例，場(chǎng)景使用照明映射， 動(dòng)畫(huà)模型使用頂點(diǎn)照明。 預(yù)先處理的燈光不會(huì)對(duì)動(dòng)畫(huà)模型產(chǎn)生正確的效果 -- 整個(gè)多邊形模型得到燈光的全部光照值 -- 而動(dòng)態(tài)照明將被用來(lái)產(chǎn)生正確的效果。 使用混合照明方式是多數(shù)的人們沒(méi)有注意到的一個(gè)折衷，它通常讓效果看起來(lái)"正確"。 這就是游戲的全部 – 做一切必要的工作讓效果看起來(lái)"正確"，但不必真的是正確的。  

　　當(dāng)然，所有這些在新的Doom引擎里面都不復(fù)存在了，但要看到所有的效果，至少需要 1GHZ CPU 和 GeForce 2 顯卡。是進(jìn)步了，但一切都是有代價(jià)的。  

　　一旦場(chǎng)景經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和照明， 我們就進(jìn)行裁剪運(yùn)算。 不進(jìn)入血淋淋的細(xì)節(jié)而，剪斷運(yùn)算決定哪些三角形完全在場(chǎng)景 (被稱為觀察平截頭體) 之內(nèi)或部份地在場(chǎng)景之內(nèi)。完全在場(chǎng)景之內(nèi)的三角形被稱為細(xì)節(jié)接受，它們被處理。對(duì)于只是部分在場(chǎng)景之內(nèi)的三角形， 位于平截頭體外面的部分將被裁剪掉，余下位于平截頭體內(nèi)部的多邊形部分將需要重新閉合，以便其完全位于可見(jiàn)場(chǎng)景之內(nèi)。 (更多的細(xì)節(jié)請(qǐng)參考我們的 3D 流水線指導(dǎo)一文)。

　　場(chǎng)景經(jīng)過(guò)裁剪以后，流水線中的下一個(gè)階段就是三角形生成階段(也叫做掃描 線轉(zhuǎn)換)，場(chǎng)景被映射到2D 屏幕坐標(biāo)。到這里，就是渲染（繪制）運(yùn)算了。


紋理與MIP映射
　　紋理在使3D場(chǎng)景看起來(lái)真實(shí)方面異常重要，它們是你應(yīng)用到場(chǎng)景區(qū)域或?qū)ο蟮囊恍┓纸獬啥噙呅蔚男�圖片。多重紋理耗費(fèi)大量的內(nèi)存，有不同的技術(shù)來(lái)幫助管理它們的尺寸大小。紋理壓縮是在保持圖片信息的情況下，讓紋理數(shù)據(jù)更小的一種方法。紋理壓縮占用較少的游戲CD空間，更重要的是，占用較少內(nèi)存和3D 顯卡存儲(chǔ)空間。另外，在你第一次要求顯卡顯示紋理的時(shí)候，壓縮的(較小的) 版本經(jīng)過(guò) AGP 接口從 PC 主存送到3D 顯卡， 會(huì)更快一些。紋理壓縮是件好事情。 在下面我們將會(huì)更多的討論紋理壓縮。  


MIP 映射（多紋理映射）
　　游戲引擎用來(lái)減少紋理內(nèi)存和帶寬需求的另外一個(gè)技術(shù)就是 MIP 映射。 MIP 映射技術(shù)通過(guò)預(yù)先處理紋理，產(chǎn)生它的多個(gè)拷貝紋理，每個(gè)相繼的拷貝是上一個(gè)拷貝的一半大小。為什么要這樣做?要回答這個(gè)問(wèn)題，你需要了解 3D 顯卡是如何顯示紋理的。最壞情況，你選擇一個(gè)紋理，貼到一個(gè)多邊形上，然后輸出到屏幕。我們說(shuō)這是一對(duì)一的關(guān)系，最初紋理映射圖的一個(gè)紋素 (紋理元素) 對(duì)應(yīng)到紋理映射對(duì)象多邊形的一個(gè)像素。如果你顯示的多邊形被縮小一半，紋理的紋素就每間隔一個(gè)被顯示。這樣通常沒(méi)有什么問(wèn)題 -- 但在某些情況下會(huì)導(dǎo)致一些視覺(jué)上的怪異現(xiàn)象。讓我們看看磚塊墻壁。 假設(shè)最初的紋理是一面磚墻，有許多磚塊，磚塊之間的泥漿寬度只有一個(gè)像素。如果你把多邊形縮小一半， 紋素只是每間隔一個(gè)被應(yīng)用，這時(shí)候，所有的泥漿會(huì)突然消失，因?yàn)樗鼈儽豢s掉了。你只會(huì)看到一些奇怪的圖像。  

　　使用 MIP 映射，你可以在顯示卡應(yīng)用紋理之前，自己縮放圖像，因?yàn)榭梢灶A(yù)先處理紋理，你做得更好一些，讓泥漿不被縮掉。當(dāng) 3D 顯卡用紋理繪制多邊形時(shí)，它檢測(cè)到縮放因子，說(shuō)，"你知道，我要使用小一些的紋理，而不是縮小最大的紋理，這樣看起來(lái)會(huì)更好一些。" 在這里， MIP 映射為了一切，一切也為了 MIP 映射。


多重紋理與凹凸映射
　　單一紋理映射給整個(gè)3D 真實(shí)感圖形帶來(lái)很大的不同， 但使用多重紋理甚至可以達(dá)到一些更加令人難忘的效果。過(guò)去這一直需要多遍渲染（繪制），嚴(yán)重影響了像素填充率。 但許多具有多流水線的3D 加速卡，如ATI's Radeon 和 nVidia's GeForce 2及更高級(jí)的顯卡，多重紋理可以在一遍渲染（繪制）過(guò)程中完成。 產(chǎn)生多重紋理效果時(shí)， 你先用一個(gè)紋理繪制多邊形，然后再用另外一個(gè)紋理透明地繪制在多邊形上面。這讓你可以使紋理看上去在移動(dòng)，或脈動(dòng)， 甚至產(chǎn)生陰影效果 (我們?cè)谡彰饕还?jié)中描述過(guò))。繪制第一個(gè)紋理映射，然后在上面繪制帶透明的全黑紋理，引起一種是所有的織法黑色的但是有一個(gè)透明分層堆積過(guò)它的頂端 ， 這就是 -- 即時(shí)陰影。 該技術(shù)被稱為照明映射 ( 有時(shí)也稱為 暗映射)，直至新的Doom ，一直是Id引擎里關(guān)卡照明的傳統(tǒng)方法。  

　　凹凸貼圖是最近涌現(xiàn)出來(lái)的一種古老技術(shù)。幾年以前 Matrox 第一個(gè)在流行的 3D 游戲中發(fā)起使用各種不同形式的凹凸貼圖。就是生成紋理來(lái)表現(xiàn)燈光在表面的投射，表現(xiàn)表面的凹凸或表面的裂縫。 凹凸貼圖并不隨著燈光一起移動(dòng) -- 它被設(shè)計(jì)用來(lái)表現(xiàn)一個(gè)表面上的細(xì)小瑕疵，而不是大的凹凸。 比如說(shuō)，在飛行模擬器中，你可以使用凹凸貼圖來(lái)產(chǎn)生像是隨機(jī)的地表細(xì)節(jié)，而不是重復(fù)地使用相同的紋理，看上去一點(diǎn)趣味也沒(méi)有。  

　　凹凸貼圖產(chǎn)生相當(dāng)明顯的表面細(xì)節(jié)，盡管是很高明的戲法，但嚴(yán)格意義上講，凹凸貼圖并不隨著你的觀察角度而變化。比較新的 ATI 和 nVidia 顯卡片能執(zhí)行每像素運(yùn)算，這種缺省觀察角度的不足就真的不再是有力而快速的法則了。 無(wú)論是哪一種方法， 到目前為止，沒(méi)有游戲開(kāi)發(fā)者太多的使用； 更多的游戲能夠且應(yīng)該使用凹凸貼圖。


高速緩存抖動(dòng) = 糟糕的事物
　　紋理高速緩存的管理游戲引擎的速度至關(guān)重要。 和任何高速緩存一樣，緩存命中很好，而不命中將很糟糕。如果遇到紋理在圖形顯示卡內(nèi)存被頻繁地?fù)Q入換出的情況，這就是紋理高速緩存抖動(dòng)。發(fā)生這種情況時(shí)，通常API將會(huì)廢棄每個(gè)紋理，結(jié)果是所有的紋理在下一幀將被重新加載，這非常耗時(shí)和浪費(fèi)。對(duì)游戲玩家來(lái)說(shuō)，當(dāng)API重新加載紋理高速緩存時(shí)，會(huì)導(dǎo)致幀速率遲鈍。

　　在紋理高速緩存管理中，有各種不同的技術(shù)將紋理高速緩存抖動(dòng)減到最少 – 這是確保任何 3D 游戲引擎速度的一個(gè)決定性因素。 紋理管理是件好事情 – 這意味著只要求顯卡使用紋理一次，而不是重復(fù)使用。這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)自相矛盾，但效果是它意謂著對(duì)顯卡說(shuō)，"看， 所有這些多邊形全部使用這一個(gè)紋理，我們能夠僅僅加載這個(gè)紋理一次而不是許多次嗎?" 這阻止API ( 或圖形驅(qū)動(dòng)軟件) 上傳多次向顯卡加載紋理。象OpenGL這樣的API實(shí)際上通常處理紋理高速緩存管理，意謂著，根據(jù)一些規(guī)則，比如紋理存取的頻率，API決定哪些紋理儲(chǔ)存在顯卡上，哪些紋理存儲(chǔ)在主存。 真正的問(wèn)題來(lái)了：a) 你時(shí)常無(wú)法知道API正在使用的準(zhǔn)確規(guī)則。 b)你時(shí)常要求在一幀中繪制更多的紋理，以致超出了顯卡內(nèi)存空間所能容納的紋理。  

　　另外一種紋理高速緩存管理技術(shù)是我們?cè)缦扔懻摰募y理壓縮。很象聲音波形文件被壓縮成 MP3 文件，盡管無(wú)法達(dá)到那樣的壓縮比率，但紋理可以被壓縮。 從聲音波形文件到MP3的壓縮可以達(dá)到 11:1的壓縮比率，而絕大多數(shù)硬件支持的紋理壓縮運(yùn)算法則只有 4:1 的壓縮比率，盡管如此，這樣能產(chǎn)生很大的差別。 除此之外，在渲染（繪制）過(guò)程中，只有在需要時(shí)，硬件才動(dòng)態(tài)地對(duì)紋理進(jìn)行解壓縮。這一點(diǎn)非常棒，我們僅僅擦除即將可能用到的表面。

　　如上所述，另外一種技術(shù)確保渲染器要求顯卡對(duì)每個(gè)紋理只繪制一次。確定你想要渲染（繪制）的使用相同紋理的所有多邊形同時(shí)送到顯卡，而不是一個(gè)模型在這里，另一個(gè)模型在那里，然后又回到最初的紋理論。僅僅繪制一次，你也就通過(guò)AGP接口傳送一次。Quake III 在其陰影系統(tǒng)就是這么做的。處理多邊形時(shí)，把它們加入到一個(gè)內(nèi)部的陰影列表，一旦所有的多邊形處理完畢，渲染器遍歷紋理列表，就將紋理及所有使用這些紋理的多邊形同時(shí)傳送出去。  

　　上述過(guò)程在使用顯卡的硬件 T & L（如果支持的話）時(shí)，并不怎么有效。你面臨的結(jié)局是，滿屏幕都是使用相同紋理的大量的多邊形小群組，所有多邊形都使用不同的變換矩陣。這意謂著更多的時(shí)間花在建立顯卡的硬件 T & L 引擎 ，更多的時(shí)間被浪費(fèi)了。 無(wú)論如何，因?yàn)樗麄冇兄�于�?duì)整個(gè)模型使用統(tǒng)一的紋理，所以它對(duì)實(shí)際屏幕上的模型可以有效地工作。但是因?yàn)樵S多多邊形傾向使用相同的墻壁紋理，所以對(duì)于世界場(chǎng)景的渲染，它常常就是地獄。通常它沒(méi)有這么嚴(yán)重，因?yàn)榇篌w而言，世界的紋理不會(huì)有那么大，這樣一來(lái)API的紋理緩存系統(tǒng)將會(huì)替你處理這些，并把紋理保留在顯卡以備再次使用。  

　　在游戲機(jī)上，通常沒(méi)有紋理高速緩存系統(tǒng)(除非你寫(xiě)一個(gè))。在 PS2 上面，你最好是遠(yuǎn)離"一次紋理" 的方法。在 Xbox 上面， 這是不重要的，因?yàn)樗�本身沒(méi)有圖形內(nèi)存(它是 UMA 體系結(jié)構(gòu))，且所有的紋理無(wú)論如何始終保留在主存之中。  

　　事實(shí)上，在今天的現(xiàn)代PC FPS 游戲中，試圖通過(guò)AGP接口傳送大量紋理是第二個(gè)最通常的瓶頸。最大的瓶頸是實(shí)際幾何處理，它要使東西出現(xiàn)在它應(yīng)該出現(xiàn)的地方。在如今的3D FPS 游戲中，最耗費(fèi)時(shí)間的工作，顯然是那些計(jì)算模型中每個(gè)頂點(diǎn)正確的世界位置的數(shù)學(xué)運(yùn)算。如果你不把場(chǎng)景的紋理保持在預(yù)算之內(nèi)，僅居其次的就是通過(guò)AGP接口傳送大量的紋理了。然而，你確實(shí)有能力影響這些。 通過(guò)降低頂層的 MIP 級(jí)別(還記得系統(tǒng)在哪里不斷地為你細(xì)分紋理嗎?)， 你就能夠把系統(tǒng)正在嘗試送到顯卡的紋理大小減少一半。你的視覺(jué)質(zhì)量會(huì)有所下降-- 尤其是在引人注目的電影片斷中--但是你的幀速率上升了。這種方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)游戲尤其有幫助。實(shí)際上，Soldier of Fortune II和Jedi Knight II: Outcast這兩款游戲在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)的顯卡還不是市場(chǎng)上的大眾主流顯卡。為了以最大大小觀看他們的紋理，你的3D 顯卡至少需要有128MB的內(nèi)存。這兩種產(chǎn)品在思想上都是給未來(lái)設(shè)計(jì)的。  

　　上面就是第 2 部份。在下面章節(jié)中，我們將介紹許多主題，包括內(nèi)存管理，霧效果，深度測(cè)試， 抗鋸齒，頂點(diǎn)著色，API等。