曲面細(xì)分技術(shù)在數(shù)字造型藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

楊飛

【摘 要】曲面細(xì)分技術(shù)在數(shù)字造型藝術(shù)領(lǐng)域主要體現(xiàn)在電影工業(yè)或動畫設(shè)計(jì)的預(yù)渲染系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)及3D游戲的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。隨著DirectX和OpenGL兩大3D API的誕生和發(fā)展，今天的圖形硬件已經(jīng)能夠提供驚人的計(jì)算能力，實(shí)時(shí)系統(tǒng)對于光影計(jì)算、紋理貼圖的處理都已經(jīng)達(dá)到了非常精細(xì)的地步，各種新興的光照算法和貼圖技術(shù)層出不窮，對于數(shù)字造型表面細(xì)節(jié)及光影效果的刻畫也已經(jīng)達(dá)到一個(gè)新高度。運(yùn)用曲面細(xì)分技術(shù)的基本原理及相關(guān)算法，根據(jù)數(shù)字造型藝術(shù)領(lǐng)域的特性，選用適當(dāng)?shù)囊婕夹g(shù)和開發(fā)思路，重點(diǎn)研究曲面細(xì)分的幾何失真與抗失真方面的問題和基于DirectX11的Tessellation曲面細(xì)分的工程實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。通過本論文的研究實(shí)踐，解決了幾何失真與抗失真方面的問題，讓數(shù)字造型藝術(shù)作品有了新的技術(shù)表現(xiàn)形式，同時(shí)為曲面細(xì)分技術(shù)拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域提供了可能性。最后，本論文得到了曲面細(xì)分技術(shù)在虛幻引擎UE中的實(shí)際工程應(yīng)用的可行性結(jié)論，解決了曲面細(xì)分技術(shù)在數(shù)字造型藝術(shù)領(lǐng)域的實(shí)際終端應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】曲面細(xì)分；數(shù)字造型藝術(shù)；虛幻引擎UE；幾何失真

一、理論意義及實(shí)用價(jià)值

數(shù)字藝術(shù)（也稱為計(jì)算機(jī)圖形圖像藝術(shù)）經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，從最早期的字符顯示到簡單的二維圖形顯示再到后來的三維圖形圖像的視覺呈現(xiàn)，CG藝術(shù)所依托的視覺計(jì)算也同樣經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程，對真實(shí)世界的虛擬化視覺呈現(xiàn)是其不變的使命和追尋的目標(biāo)，數(shù)字化的藝術(shù)呈現(xiàn)已然成為一種被廣泛使用和傳播的藝術(shù)手法。還有一個(gè)重要的研究方向一直未有大的突破，成為阻礙數(shù)字藝術(shù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，這就是作為三維圖像最基礎(chǔ)最重要的一部分——三維模型本身，以往受限于硬件，而無法實(shí)時(shí)得到真實(shí)可信的模型細(xì)節(jié)，而今天通過GPU的曲面細(xì)分模塊能夠即時(shí)得到創(chuàng)作者想要的結(jié)果，從而使創(chuàng)作者在數(shù)字造型藝術(shù)領(lǐng)域不再受限于硬件，這是具有里程碑意義的突破，對于整個(gè)數(shù)字藝術(shù)的發(fā)展都會產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響，意義重大。

曲面細(xì)分技術(shù)本身歷史久遠(yuǎn)，但以往采用CPU實(shí)現(xiàn)的方式效率過于低下，導(dǎo)致無法應(yīng)用于對實(shí)時(shí)性要求較高的游戲/VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）領(lǐng)域，基于GPU的曲面細(xì)分技術(shù)很好的解決了這一問題，但是由于工作流程與之前的實(shí)現(xiàn)方式有較大差異，因此現(xiàn)階段對于如何在實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)還沒有一個(gè)完全標(biāo)準(zhǔn)化的流程，目前一些新版本的3D實(shí)時(shí)引擎都已集成了該技術(shù)，但過于繁瑣的操作以及代碼的編寫，使得很多藝術(shù)創(chuàng)作者望而卻步，對于藝術(shù)創(chuàng)作者來說迫切需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的流程以及選用合適的實(shí)時(shí)3D引擎來進(jìn)行創(chuàng)作。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國際方面：基于GPU實(shí)現(xiàn)的曲面細(xì)分技術(shù)依托于DirectX。這是由微軟公司開發(fā)的一個(gè)API（應(yīng)用程序接口），其開發(fā)的初衷旨在為了解決2D/3D圖形的快速繪制問題，因此DirectX中有兩個(gè)重要的組件DirectDraw（負(fù)責(zé)2D圖形渲染）和Direct3D（負(fù)責(zé)3D圖形渲染），GPU實(shí)現(xiàn)的曲面細(xì)分技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N切實(shí)可行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)并開始為世人所知是在DirectX 8.0推出之際，這種技術(shù)最初由ATI公司提出，被微軟看重后集成于DirectX 8.0當(dāng)中，并被命名為N-Patch（ATI稱之為TruForm），當(dāng)N-Patch技術(shù)并沒有得以推廣，原因便在于其本身存在一個(gè)重大缺陷——幾何失真。

國內(nèi)方面：國內(nèi)對于曲面細(xì)分技術(shù)的研究起步較晚，直至2000年才有相關(guān)文獻(xiàn)出版，而在近幾年，曲面細(xì)分的相關(guān)研究逐漸多了起來，研究領(lǐng)域主要集中在基礎(chǔ)算法、工程VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）等方面。

綜上所述，總體來講國內(nèi)在曲面細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的研究還是比較少，主要集中在CAD/CAM等工程研究領(lǐng)域。而基于GPU實(shí)現(xiàn)的曲面細(xì)分技術(shù)在基礎(chǔ)算法方面與之前的CPU實(shí)現(xiàn)方式?jīng)]有太大差異，在輪廓失真、細(xì)節(jié)控制和反走樣等方面還是做出了較大改進(jìn)，但由于這種實(shí)現(xiàn)方式才出現(xiàn)不久，加上與之相配套的硬件、API等也都是新鮮事物，因此基于GPU實(shí)現(xiàn)的曲面細(xì)分技術(shù)在國內(nèi)的相關(guān)研究和應(yīng)用還不多見，所以論文研究應(yīng)用方向均有一定的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會效益。

（一） 曲面鑲嵌技術(shù)相關(guān)理論

所謂曲面細(xì)分是指以一定的規(guī)則對多邊形網(wǎng)格進(jìn)行逐層精化，形成一個(gè)收斂的網(wǎng)格序列，取序列極限的曲面造型方式，稱這個(gè)序列的極限為細(xì)分曲面[1]。通常，在實(shí)際應(yīng)用中我們常以某個(gè)層次的細(xì)分網(wǎng)格來代替細(xì)分曲面，細(xì)分模式就是對網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)化的規(guī)則，細(xì)分模式也稱為細(xì)分方法。它包括拓?fù)湟?guī)則和幾何規(guī)則2個(gè)部分，細(xì)分方法作為曲線曲面的離散造型方法，其特點(diǎn)是：處理過程簡單，對數(shù)據(jù)的計(jì)算、生成和顯示的速度快，因而在幾何造型中有廣泛的應(yīng)用。

（二）基于DircetX 11的Tessellation技術(shù)簡介

上文中簡單敘述了曲面細(xì)分技術(shù)理論，新一代基于DircetX 11的Tessellation技術(shù)雖然在基礎(chǔ)概念和算法方面并無大的突破，但其在GPU硬件構(gòu)架上以及API（DircetX 11）上做出改進(jìn)都是巨大的，新一代符合DirectX 11標(biāo)準(zhǔn)的GPU都集成了被稱之為PolyMorph Engine（多形體引擎）的專用硬件單元來負(fù)責(zé)處理和曲面細(xì)分相關(guān)的工作，例如：頂點(diǎn)拾?。╒ertex Fetch）、細(xì)分曲面（Tessellation）、視口轉(zhuǎn)換（Viewport Transform）、屬性設(shè)定（Attribute Setup）、流輸出（Stream Output）等五個(gè)方面的處理工作，它與DircetX 11中的Tessellator（鑲嵌器）功能遙相呼應(yīng)，多形體引擎融合了之前的固定功能硬件單元，使之成為一個(gè)有機(jī)整體。

（三）曲面細(xì)分的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在上面的敘述中我們已經(jīng)提到了DirectX 11曲面細(xì)分的專用模塊稱之為Tessellator單元，Tessellator單元本身是不具備可編程性的，因此DirectX11向Tessellator單元輸入或者從其中輸出的過程是通過兩個(gè)之前提到過的管線階段完成的：Hull Shader （輪廓著色器）和Domain Shader （域著色器）。

Domain Shader將會接收由Tessellator產(chǎn)生出的點(diǎn)，并依照終點(diǎn)控制（control points）置換貼圖將這些點(diǎn)形成一個(gè)合適的幾何圖形。Domain Shader通過運(yùn)行開發(fā)者設(shè)計(jì)的Domain Shader （域著色器）程序來執(zhí)行這些操作，這些Domain Shader程序控制這些新產(chǎn)生的點(diǎn)如何轉(zhuǎn)移或者如何按照終點(diǎn)控制以及紋理渲染取代這些數(shù)據(jù)。處理完畢這些點(diǎn)之后，Domain Shader將會輸出一個(gè)個(gè)頂點(diǎn)。我們就會看到大量Domain Shader輸出并直接進(jìn)行光柵化，以便幾何圖形可以分散到屏幕上進(jìn)行像素處理，具體工作流程見圖。（作者單位：重慶工程學(xué)院傳媒藝術(shù)學(xué)院）

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