面向游戲與動畫應用的陰影技術研究

孫戈陽 郭禹希

摘 要：現在的計算機發展十分迅猛，尤其是計算機圖形硬件技術也在不斷的更新變化。相應的多種主流三維游戲中陰影渲染的實際效果和可交互性也急需要進行相關的改進。而且，現在很多的電影、游戲和動畫中都大量使用比較復雜的光照環境，從而造成-種強烈的真實感，這也是陰影渲染技術的主要研究內容之-。本文論文主要針對游戲和動畫場景中使用的高效率和高真實性的陰影渲染內容進行研究。

關鍵詞：軟陰影渲染；PRT；兩維哈爾小波；現狀

現在，出現了以硬陰影渲染算法為基礎的軟陰影算法，獲得了一定的效率性，但是只能運用在部分光源，在比較繁瑣的光照環境中不能取得具有真實效用的陰影效用。而且，有的例如和光線跟蹤相近的全局光照算法，在一定程度上具備相應的真實效用，但是因為計算量比較大而且比較復雜，只能使用在離線渲染的過程中。還有一種渲染方式是以PRT為主要內容，把陰影渲染的過程劃分成為預處理和實際渲染兩個部分，不但可以保護其渲染的實際條件，還可以保留-定的真實效用。

一、面向游戲與動畫應用的陰影的預處理技術

在進行預處理的過程中，我們以SPC為基礎，對其進行了環境光源、BRDF和陰影場的收集，各個采樣點都是遮擋函數，利用采樣點對系統的預處理資料進行合理的融合。我們使用SPC，以上面的GPU為主要媒介，還有Geometryshader遮擋函數進行相關的算法，本文主要研究SPC在收集過程中產生誤差的主要原因。而且，利用GeDmeryShader對模型進行詳細劃分，使其的誤差開始減少。實驗證明，這種方式和過去的陰影測試方式在效果方面得到了明顯的提升，而且不受分辨率的控制，還可以有效的減少誤差的產生。對模型進行詳細的劃分，這種方式也可以使用到相應的參數坐標系中。而且，我們還可以延伸到平面收集中，有效的處理球面陰影場在部分收集不完整的情況。而且，我們也提出了-套算法，主要以GPU為基礎進行詳細的計算，從而有效的完成相關的渲染方程計算。

為了解決GPU在寄存器資源方面的問題，重新構建了 “基于映射數組”與“基于深度遍歷序列”這兩種Aug-Tree叉樹數據結構的完成模式。這兩種模式都可以很好的控制寄存器資源的耗損，使得 T-S算法可以在GPU上得到實時的保護。特別是以深度遍歷序列為基礎，實驗結果證明，寄存器資源的問題會對GPU渲染效果造成影響，使其達到很低的限度。

我們改變了原來的T-S算法流程，讓其環境光源停留在不同的顏色通道中，并且能夠保證四叉樹在相同的T-S算法中，避免反復計算。而且，我們根據環境光源的實際狀況進行提升，以便更好的減輕寄存器的資源耗損，從而節省資金投入。實驗結果證明，在提升之后的渲染速度得到了提升。

二、面向游戲與動畫應用的陰影技術的理論運用

在實際完成的過程中，我們對原來的T-S算法流程進行回顧；我們融合GPU中的特殊性，像是矢量計算等，對于原來算法過程中的實際環節進行改進，并且提升；我們利用部分的最大程度，改進了在SPC上所使用的迪卡爾坐標系中相應點分布不均，使得T-S算法的節點遍歷范圍開始減少。而且，我們明確指出了在SPC上以哈爾小波為主要方式處理物體旋轉的問題。在本文中表明了物體在旋轉之后需要處理的多種映射問題。在實際實行過程中，我們利用旋轉系數矩陣對于遮擋函數的系數向量進行相關的線性調控，從而更好的處理旋轉映射問題。實驗結果證明，這種方式在實際的環境中，能夠進行系數向量的調控。而且還要保證計算機旋轉系數矩陣時使用較高的分辨率，從而減少結果的誤差。我們也發現了GPU和CPU兩種方式中，對旋轉系數矩陣的計算模式。在CPU中，依據高尺度中哈爾小波函數定義域較小的特性，在對旋轉系數進行計算之后的小波在轉化時，兩個過程都得到了提升，結果證明我們能夠在實際環境中進行旋轉系數矩陣的計算，以便更好的處理預處理過程中計算所遭受的問題。并且，我們還可以使得計算過程簡化。

三、實際環境中真實陰影渲染的運用

通過上面的分析，現在所獲得的研究，基本上都已經處理了先前所提到的立方體映射空間中哈爾小波中映射渲染遭遇的問題，而且在實際環境中進行真實的陰影渲染。將來我們主要從以下幾個方面進行研究：

在實時過程中進-步提升旋轉系數矩陣的計算。現在我們在實際過程中運用單線程來計算旋轉系數矩陣。在未來，我們想使用以互聯網為基礎的ThreadBuildingBlock多線程開發庫，把旋轉系數的計算任務劃分給多個線程，從而提升其計算速度。

支持多種部分光源。現在我們為了使其更加簡化，把光源限定為環境光源，在進入局部光源的狀態下，T-S算法也存在。因此我們希望能夠在現在的渲染系統中融入多種部分光源的支持。

尋求球面小波來代替現在的哈爾小波。主要是因為現在我們是在SPC上，在二維圖像環境中針對光源、BRDF和遮擋函數進行采樣，容易出現迪卡爾坐標系中采樣不均衡的情況。因此，我們希望能夠在球面空間中對其進行收集。所以，我們需要一種專業化的球面小波，并對結果進行預處理。最為關鍵的就是，能夠在球面小波解決旋轉問題的過程中簡化相應的旋轉系數矩陣計算。

參考文獻：

[1] 黃楊飛.大場景3D游戲引擎技術研究與實現[D].浙江師范大學，2011.

[2] 屠建軍，王璐，屠長河等.基于GPU的網格模型平滑陰影的實時繪制[C].//第八屆中國計算機圖形學大會論文集.2010：123.

[3] 樂大山，龍曉苑，汪國平等.日式動畫風格非真實感三維實時渲染算法的研究[C].//第三屆全國數字娛樂與藝術暨數字家庭交互應用技術與設計學術研討會論文集.2008：59-67.