基于OpenGL的快速多光源渲染

摘 要：隨著科技的進(jìn)步，3D實(shí)時(shí)渲染越來越走近每一個(gè)人，而人們對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用也隨之增加，除了電子游戲以外，3D實(shí)時(shí)渲染技術(shù)普遍應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、科研等領(lǐng)域。近年來興起的3D打印和虛擬現(xiàn)實(shí)更是把3D實(shí)時(shí)渲染作為基石而快速成長(zhǎng)。3D實(shí)時(shí)渲染技術(shù)一直以來存在幾個(gè)重大難題，快速處理大量法光源就是其中之一。現(xiàn)實(shí)中，因?yàn)橛泄猓藗儾拍苡^察到這個(gè)世界。在3D實(shí)時(shí)渲染中，雖然不一定需要有光，但是模擬出光的效果對(duì)于增加真實(shí)性至關(guān)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(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速多光源渲染，并且不會(huì)對(duì)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(gè)區(qū)塊單獨(dú)計(jì)算光源列表，把光源限制在屏幕可見區(qū)域內(nèi)，來剔除絕大多數(shù)不必要的計(jì)算。這種方法不會(huì)對(duì)傳統(tǒng)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(fā)便利、容易模塊化等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：OpenGL實(shí)時(shí)渲染；3D；

中圖分類號(hào)：TN-9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-03-000267-01

一、為什么傳統(tǒng)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(tǒng)的向前光照的基本流程。首先，3D物體通過頂點(diǎn)著色器，變換到投射空間，經(jīng)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(guān)信息，進(jìn)行光照計(jì)算[1]。以前可能在頂點(diǎn)著色器里計(jì)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(diǎn)還是像素，著色器每次獲取到的數(shù)據(jù)都是相同的，如果要進(jìn)行多光源處理，需要把所有光源信息都一起傳進(jìn)來。對(duì)于光源來說，不可能所有光源都會(huì)在投射空間占據(jù)所有像素點(diǎn)，絕大多數(shù)光源可能僅僅占用不到5%，為了5%而在所有的像素內(nèi)計(jì)算光照顯然并不明智。由于GPU的特殊構(gòu)造，分歧計(jì)算開銷很大，無論是在著色器內(nèi)判斷每個(gè)光源是否占用當(dāng)前像素，還是不判斷直接進(jìn)行光照計(jì)算，都是非常巨大的開銷，也許十幾個(gè)光源的開銷還能接受，但是幾百個(gè)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(gè)軟光柵化像素生成一個(gè)獨(dú)立的光源數(shù)據(jù)列表。第二步，把所有像素的光源數(shù)據(jù)列表合并為一個(gè)總列表，同時(shí)記錄下每個(gè)軟光柵化像素列表數(shù)據(jù)在總列表內(nèi)的開始位置，以及當(dāng)前像素列表內(nèi)的光源數(shù)量。第三步，把每個(gè)像素在總列表內(nèi)的開始位置與光源數(shù)量，按照像素在GPU內(nèi)的分布，組成一個(gè)雙通道紋理，一個(gè)通道是像素在總列表內(nèi)的開始位置，另一個(gè)通道是光源數(shù)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(nèi)，根據(jù)當(dāng)前像素在屏幕上的坐標(biāo)，從第三步的紋理中，采樣出對(duì)應(yīng)的像素值，接下來就是，逐個(gè)獲取總列表中的光源數(shù)據(jù)，然后計(jì)算光照結(jié)果。下圖為實(shí)際效果：

三、為什么要軟光柵化與軟光柵化步驟詳細(xì)

現(xiàn)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(jì)算替代串行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)至少3個(gè)數(shù)量級(jí)的提速[2] 。但是付出了代價(jià)，GPU的并行計(jì)算導(dǎo)致每個(gè)象素之間沒有辦法進(jìn)行任何直接數(shù)據(jù)交流，每個(gè)象素的計(jì)算結(jié)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(gè)象素都是一個(gè)列表，而且每個(gè)象素的列表大小一般都是不同的，如果相同，某個(gè)象素列表里很可能會(huì)儲(chǔ)存超過200個(gè)光源數(shù)據(jù)，所有的列表就都要超過200，否則就要丟失光源，這會(huì)導(dǎo)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(jìn)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(shí)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(gè)象素。對(duì)于現(xiàn)代CPU來說，這樣低分辨率的軟光柵化當(dāng)然不會(huì)很慢?？焖俣喙庠翠秩镜能浌鈻呕康牟皇抢L制圖形，而是生成光源列表，光源除了太陽(yáng)光之外，都可以抽象為點(diǎn)光源，也就是一個(gè)球體，因此并不需要實(shí)現(xiàn)完整的標(biāo)準(zhǔn)軟光柵化計(jì)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(guān)計(jì)算一律都可以省略，唯一需要的，就是把覆蓋到當(dāng)前像素的光源信息，添加到當(dāng)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(dòng)態(tài)分支，相當(dāng)于DirectX9.0c，如果可能，建議在支持Opengl3.0也就是DirectX10的顯卡上實(shí)現(xiàn)，Opengl3.0可以用Texture Buffer Objects，在著色器獲取光源數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以大幅提高效率?？焖俣喙庠翠秩咀钸m合小尺寸場(chǎng)景，而且比較分散的場(chǎng)合，比如室內(nèi)。如果一個(gè)場(chǎng)景內(nèi)，上百個(gè)光源出現(xiàn)在攝像機(jī)附近，并且都覆蓋了整個(gè)攝像機(jī)范圍，這時(shí)候，相當(dāng)于每個(gè)列表中都存了相同的數(shù)據(jù)，快速多光源渲染在這時(shí)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(xiàn)象出現(xiàn)，其實(shí)此時(shí)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(xiàn)：

[1]OpenGL體系結(jié)構(gòu)審核委員會(huì)/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(dòng)設(shè)備的3D圖形光柵化處理單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]；西安科技大學(xué)；2012年

作者簡(jiǎn)介：張鴻浩，男，1984年生，本科，工程師助理，黑龍江省電子信息產(chǎn)品監(jiān)督檢察院。