基于Flash的聚光燈光照算法

徐訓嘉

同濟大學軟件學院，上海 201804

0 引言

提高場景的光照效果是提升虛擬場景真實感的有效途徑，人們能夠看到物體是因為物體的表面反射了從各種光源發出的光，最常見的有三種光源：方向光，點光源，聚光燈。方向光是由無窮遠處射出的平行光線，常用于陽光效果的模擬，點光源可以看作由空間中一個特定位置的點發出各個方向的光線，聚光燈則是空間中一個特定位置的點發出的特定方向光線的光源，是本文研究的主要范圍。另一方面，除了物體的表面反射，光線穿越空氣等介質時還會產生散射，光在空氣中的散射會使光束所穿越空間發亮，在整體環境較暗時，這種現象更加明顯，例如陽光穿越云層或者樹林等時產生的多個光束的效果，體積光照就是在虛擬空間中模擬上述效果。此類效果在虛擬環境中的應用能夠使光照更加具有立體感，有效的提升虛擬場景的真實感。

本文通過渲染聚光燈體積光照效果，利用GPU加速，實現和改進了已有的光照算法， 使其更好地在Web3D中運行。

1 算法

1.1 算法流程

為了能有效的在場景多個光源情況下進行渲染，本文采用了基于以下的流程，將渲染場景幾何信息和渲染光照效果分段進行。

渲染的每個階段都通過vertex shader和pixel shader 利用顯卡的可編程渲染管線進行計算，通過控制渲染到紋理和渲染到后臺緩存來進行不同階段間所需資源信息的傳遞。通過第一個階段將場景幾何信息保存在紋理中，后續階段再根據紋理中的數據對光照進行渲染。

1.2 保存場景幾何信息

渲染的第一個階段需要使用渲染到紋理技術，從攝像機的角度，將整個場景的幾何信息像素化保存在紋理中，給接下來的渲染提供必要的信息。只有這個階段會用到3D場景中物體的信息，因此需要將物體的表面位置信息，表面法向量信息，表面顏色信息保存下來。

漫反射顏色信息直接通過3*8bits來存儲RGB值，法向量信息通過對單位法向量進行線性處理，將其XYZ分量對應至0至1區間后用進行3*8bits存儲，由于直接存儲頂點的XYZ位置信息可能會產生精度不足的問題，這里通過轉換，使用24bits存儲頂點的視空間深度信息，范圍在0至1區間，在后續渲染階段，再根據攝像機的參數對深度信息進行還原，得到原有的位置信息。

1.3 渲染物體表面反射

對于每個像素，本文采用的簡化的光照模型進行渲染，只考慮至物體的環境光與漫反射效果：

為了模擬聚光燈邊緣的光照減弱效果，引入參數fall:

最后根據公式（1）進行疊加，產生物體表面的直接光照效果。

1.4 渲染體積光照效果

在渲染完表面直接光照的基礎上，通過設置多個采樣面，對各采樣面的像素進行混合疊加來模擬均勻空間下的單次散射體積光照效果。對于聚光燈， 由于采用平行平面采樣會導致在光源點附近光照效果的不平滑，此算法沒有根據深度來設置平面，而是根據光照的夾角來設置采樣平面。

算法根據可手動設置的采樣率，將聚光燈的視錐按照相同夾角間隔等分出采樣面，對于每個采樣面像素根據以下公式計算：

在計算像素時，需要先判斷采樣點的深度值是否小于第一階段深度紋理所存信息，采樣點深度值大于深度紋理保存值，像素值取零，保證視線被物體遮擋的部分不會進行疊加。

本文所進行的試驗均在Nvidia GT 240的環境下進行測試，屏幕分辨率為1024*768:

2 算法效果分析

圖1 算法改進結果

左圖為根據深度來設置采樣面，右圖根據光照角來設置采樣面。兩種方式的采樣率均為16次采樣，渲染幀數能達到24幀以上。從圖中可以明顯看出，在相同采樣率的情況下，通過平行平面采樣在光源點附近會由于采樣率不足導致光照效果的不平滑，根據光照角度設置采樣面就能避免這一現象，在光源點附近產生具有高度真實感的效果。

3 結論

本文提出了一種基于極坐標采樣的聚光燈體積光照的計算方法，適用于復雜和動態的環境，在光源數量較多時也能達到具有真實感的實時渲染效果。為了能渲染大量光照，出于性能方面的考慮，沒有引入陰影的機制，因此在某些情況下會造成失真的現象。在以后的工作中，使用一些輕量陰影技術避免此類現象的出現，并繼續優化算法的瓶頸，將是研究的重點。

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