基于OpenGL的快速多光源渲染

摘 要：隨著科技的進步，3D實時渲染越來越走近每一個人，而人們對于該項技術的運用也隨之增加，除了電子游戲以外，3D實時渲染技術普遍應用于醫療、工業、科研等領域。近年來興起的3D打印和虛擬現實更是把3D實時渲染作為基石而快速成長。3D實時渲染技術一直以來存在幾個重大難題，快速處理大量法光源就是其中之一。現實中，因為有光，人們才能觀察到這個世界。在3D實時渲染中，雖然不一定需要有光，但是模擬出光的效果對于增加真實性至關重要，本文提出一種全新的渲染方法，在可接受的渲染開銷范圍內，實現快速多光源渲染，并且不會對半透明和反走樣有任何限制。通過低分辨率軟光柵化為屏幕每一個區塊單獨計算光源列表，把光源限制在屏幕可見區域內，來剔除絕大多數不必要的計算。這種方法不會對傳統的向前光照有任何影響，僅僅在像素著色階段添加額外的光源列表，具有兼容性好、開發便利、容易模塊化等優點。

關鍵詞：OpenGL實時渲染；3D；

中圖分類號：TN-9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-03-000267-01

一、為什么傳統向前光照不能處理多光源

在講述快速多光源渲染之前，首先需要說明一下傳統的向前光照的基本流程。首先，3D物體通過頂點著色器，變換到投射空間，經過GPU硬件光柵化之后，在像素著色器里，通過被插值過的3D物體的法線與光照相關信息，進行光照計算[1]。以前可能在頂點著色器里計算光照比較多，不過無論如何，光照信息一般都是通過uniform變量傳給著色器，無論頂點還是像素，著色器每次獲取到的數據都是相同的，如果要進行多光源處理，需要把所有光源信息都一起傳進來。對于光源來說，不可能所有光源都會在投射空間占據所有像素點，絕大多數光源可能僅僅占用不到5%，為了5%而在所有的像素內計算光照顯然并不明智。由于GPU的特殊構造，分歧計算開銷很大，無論是在著色器內判斷每個光源是否占用當前像素，還是不判斷直接進行光照計算，都是非常巨大的開銷，也許十幾個光源的開銷還能接受，但是幾百個光源顯然是不可能接受了。

二、快速多光源渲染的基本流程

第一步，通過與屏幕比例相同的超低分辨率軟光柵化，為每一個軟光柵化像素生成一個獨立的光源數據列表。第二步，把所有像素的光源數據列表合并為一個總列表，同時記錄下每個軟光柵化像素列表數據在總列表內的開始位置，以及當前像素列表內的光源數量。第三步，把每個像素在總列表內的開始位置與光源數量，按照像素在GPU內的分布，組成一個雙通道紋理，一個通道是像素在總列表內的開始位置，另一個通道是光源數量。第四步，把第二步得到的總列表和第三步得到的紋理，傳給顯存。第五步，在渲染3D物體的像素著色器內，根據當前像素在屏幕上的坐標，從第三步的紋理中，采樣出對應的像素值，接下來就是，逐個獲取總列表中的光源數據，然后計算光照結果。下圖為實際效果：

三、為什么要軟光柵化與軟光柵化步驟詳細

現代GPU最初的目的，就是為了把光柵化從CPU手中接過來，以并行計算替代串行計算，從而實現至少3個數量級的提速[2] 。但是付出了代價，GPU的并行計算導致每個象素之間沒有辦法進行任何直接數據交流，每個象素的計算結果的大小必須是完全相同的。在快速多光源渲染的第一步，每個象素都是一個列表，而且每個象素的列表大小一般都是不同的，如果相同，某個象素列表里很可能會儲存超過200個光源數據，所有的列表就都要超過200，否則就要丟失光源，這會導致總列表尺寸暴增，顯然不可行。因此光源列表，就必須由CPU進行串行處理，也就是軟光柵化。雖然軟光柵化效率非常低，但是光源列表的分辨率并不需要與實際渲染窗口的分辨率相同，通常是四十分之一，例如1280X720分辨率的渲染窗口，光源列表分辨率可以只有32*18，總共576個象素。對于現代CPU來說，這樣低分辨率的軟光柵化當然不會很慢。快速多光源渲染的軟光柵化目的不是繪制圖形，而是生成光源列表，光源除了太陽光之外，都可以抽象為點光源，也就是一個球體，因此并不需要實現完整的標準軟光柵化計算過程。光源列表不需要處理深度、半透明、顏色、模板，因此相關計算一律都可以省略，唯一需要的，就是把覆蓋到當前像素的光源信息，添加到當前像素的列表里。

四、快速多光源渲染的硬件需求、適用范圍和缺陷

快速多光源渲染最低需要顯卡支持Opengl2.0，并且支持動態分支，相當于DirectX9.0c，如果可能，建議在支持Opengl3.0也就是DirectX10的顯卡上實現，Opengl3.0可以用Texture Buffer Objects，在著色器獲取光源數據的時候，可以大幅提高效率。快速多光源渲染最適合小尺寸場景，而且比較分散的場合，比如室內。如果一個場景內，上百個光源出現在攝像機附近，并且都覆蓋了整個攝像機范圍，這時候，相當于每個列表中都存了相同的數據，快速多光源渲染在這時候就無法起到任何作用了，這是最大的缺陷，因此，一定要避免此現象出現，其實此時跟GPU像素填充率不足的情況非常近似，也可以用近似的方法來處理。

參考文獻：

[1]OpenGL體系結構審核委員會/Dave Shreiner/Mason Woo等 編著，OpenGL編程指南（第四版），人民郵電出版社，2005

[2]詹鵬；面向移動設備的3D圖形光柵化處理單元的設計與實現[D]；西安科技大學；2012年

作者簡介：張鴻浩，男，1984年生，本科，工程師助理，黑龍江省電子信息產品監督檢察院。