透明物體的多光源實(shí)時(shí)光照

余瀚游，茍成秋

（1.四川大學(xué)視覺(jué)合成圖形圖像技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065）

0　引言

隨著計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算能力的快速發(fā)展，工業(yè)界針對(duì)游戲領(lǐng)域的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高。而影響游戲中真實(shí)感最重要的因素就是光照。良好的實(shí)時(shí)光照算法可以改善游戲畫(huà)面渲染效果和提高用戶(hù)體驗(yàn)。使用基于物理的光照算法[2]幾乎能呈現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)生活中的光照效果，但是往往不能達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。現(xiàn)在的實(shí)時(shí)渲染[1]基本使用延遲光照（Deferred Lighting）[4-5]的算法來(lái)提高效率，但是延遲光照中不能處理透明物體的光照效果。本文采用光源鏈表的方式以統(tǒng)一地渲染三維場(chǎng)景中不同透明程度的幾何對(duì)象。

1　算法概述

隨著光源數(shù)量和場(chǎng)景復(fù)雜度提高，前向渲染（Forward Shading）[9]算法并不能高效進(jìn)行光照計(jì)算。而延遲渲染算法通過(guò)解耦幾何計(jì)算和光照計(jì)算，可以大幅度提高渲染效率。但在延遲光照中，幾何緩沖區(qū)只能保存的是深度值最小片元（Fragment）的信息。如果在同一個(gè)像素位置同時(shí)存在透明片元和不透明片元，并且透明片元在前，那么幾何緩沖區(qū)不能同時(shí)保存多個(gè)片元信息，從而沒(méi)法同時(shí)渲染透明和不透明物體。普通做法不渲染透明物體或者額外的前向渲染透明物

1.1　延遲光照

延遲光照是屏幕空間渲染技術(shù)，避免渲染被遮擋的片元。第一個(gè)渲染過(guò)程（Render Pass）中沒(méi)有對(duì)場(chǎng)景幾何體進(jìn)行光照計(jì)算，僅僅是保存幾何體表面信息到幾何緩沖區(qū)（G-Buffer），例如顏色，紋理，法線等。第二階段在圖像采樣位置，發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)性表面后再進(jìn)行光照計(jì)算。不同于前向渲染方法，延遲渲染的光照計(jì)算是獨(dú)立于場(chǎng)景復(fù)雜度。前向渲染卻會(huì)根據(jù)場(chǎng)景中所有光源渲染每個(gè)幾何體，在最差的情況，可能帶來(lái)的效率O（M×N），其中M代表M個(gè)物體，N代表N個(gè)光源。而延遲渲染只需要O（M+N）時(shí)間效率。

1.2　光源鏈表

體。光源鏈表的實(shí)時(shí)光照算法，具體思想是每個(gè)片元構(gòu)建光源鏈表，光源加入到當(dāng)前片元的鏈表中。接著，通過(guò)訪問(wèn)光源鏈表，如果片元的世界坐標(biāo)系的位置位于光源影響范圍內(nèi)，從而計(jì)算當(dāng)前片元的光照效果。

雖然延遲光照可以很好渲染動(dòng)態(tài)多光源場(chǎng)景，但是它并不能渲染透明物體和粒子特效。延遲光照算法中，普通做法是不渲染透明物體或者增加額外的前向渲染過(guò)程。如果不渲染透明物體，那么場(chǎng)景看起來(lái)不真實(shí)；額外的前向渲染會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和降低渲染效率。本文的光源鏈表（Light Linked List，LLL）[10]方法僅計(jì)算被每個(gè)光源影響的片元，不用區(qū)分透明物體和不透明物體，因此可以同時(shí)渲染透明和不透明幾何體。而且，任何沒(méi)被寫(xiě)深度緩沖區(qū)的幾何體也能訪問(wèn)光源資源，進(jìn)而進(jìn)行光照計(jì)算。LLL算法要求顯卡支持無(wú)序訪問(wèn)視圖（Unordered Access Views,UAV）和原子計(jì)算器（Atomic Counter）。

2　算法實(shí)現(xiàn)

LLL本質(zhì)是GPU鏈表[6-8]，每個(gè)鏈表元素需要保存光源最小最大深度值，光源索引和Next指針。保存這些信息需要使用三個(gè)UAV資源：

（1）LightFragmentLinkedBuffer：光源鏈表緩存。存放完整的光源鏈表元素信息，結(jié)構(gòu)體偽代碼定義如Algorithm2-1所示。

（2）LightBoundBuffer：光源深度范圍緩存。光源幾何體最大最小深度值需要兩次調(diào)用生成，因此要臨時(shí)保存光源深度值和索引，下次用來(lái)匹配填充完整的鏈表元素信息。

（3）LightStartOffsetBuffer：光源頭指針緩存。保存當(dāng)前屏幕像素光源鏈表的頭指針，需要使用原子計(jì)算器作為分配鏈表指針的工具。

Algorithm 2-1:光源鏈表結(jié)構(gòu)體struct SLightFragmentLinkedList{

uint m_LightIndex;

float m_LightMinDepth;

float m_LightMaxDepth;

uint m_Next;};

LLL算法步驟主要分為光源鏈表的構(gòu)建和訪問(wèn)。首先對(duì)所有光源覆蓋的片元構(gòu)建鏈表，因?yàn)閳?chǎng)景幾何體處于光源幾何體（Light Volume）內(nèi)，會(huì)遮擋光源幾何體背面，所以需要關(guān)閉硬件深度測(cè)試。而要保存光源幾何體最小最大深度值，需要兩遍軟件深度測(cè)試，第一遍打開(kāi)背面裁剪，第二遍打開(kāi)前面裁剪，構(gòu)建的光源鏈表信息保存到LightFragmentLinkedBuffer。然后渲染透明和不透明物體，并且遍歷當(dāng)前片元的光源鏈表，如果幾何體的深度值處于最小最大深度值區(qū)間內(nèi)，那么對(duì)幾何體進(jìn)行光照渲染。

2.1　構(gòu)建幾何緩沖區(qū)

渲染不透明幾何體，保存最小深度值片元的幾何信息。各個(gè)保存的幾何信息必須處于同一空間坐標(biāo)下，本文中保存的是世界坐標(biāo)系下的位置，材質(zhì)顏色，以及世界坐標(biāo)系下的法線。如果想降低GPU內(nèi)存使用率，可以把世界坐標(biāo)系下的位置紋理，改變?yōu)镹DC（Normalized Device Coordinates）空間下只有一個(gè)通道的深度紋理，并且深度值映射到[0,1]區(qū)間。

世界坐標(biāo)系位置信息需要三個(gè)浮點(diǎn)數(shù)通道紋理，而深度信息只需要一個(gè)浮點(diǎn)通道紋理。在后期的渲染階段，可以通過(guò)矩陣轉(zhuǎn)換，把深度信息還原為位置信息。因?yàn)樯疃染彌_區(qū)的值是非線性，所以需要轉(zhuǎn)換深度值到線性的深度表達(dá)。公式（1）中，M代表矩陣，P代表幾何體頂點(diǎn)坐標(biāo)。

三維場(chǎng)景頂點(diǎn)經(jīng)過(guò)投影變換到裁剪空間坐標(biāo)系，除以齊次坐標(biāo)系w分量歸一化到NDC坐標(biāo)。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換深度值變?yōu)楣剑?）所示。

相機(jī)空間的z值總是投影到近平面，不依靠X,Y坐標(biāo)的影響，造成M13=M23=M14=M24=0，并且在OpenGL的投影矩陣中M34=-1,M44=0，因此最終轉(zhuǎn)換的相機(jī)空間下的z值如公式（3）所示。

2.2　構(gòu)建光源鏈表

（1）軟件深度測(cè)試

在渲染過(guò)不透明幾何體后，深度緩沖區(qū)已經(jīng)寫(xiě)入不透明物體的深度值。接著渲染光源幾何體可能會(huì)有圖1中的三種情況：光源被場(chǎng)景遮擋、光源與場(chǎng)景幾何體相交、光源在場(chǎng)景幾何體之前。

第一種情況光源幾何體深度測(cè)試失敗，完全被遮擋意味著看不見(jiàn)光照效果，因此光源幾何體不用加入到光源鏈表。第三種情況時(shí)深度測(cè)試成功，容易保存光源最大最小深度值。但是第二種情況，因?yàn)楣庠吹谋趁姹粓?chǎng)景遮擋，造成背面深度測(cè)試失敗，所以不能取得背面的深度值。為了保證光源結(jié)合體的背面被像素著色器處理，需要關(guān)閉硬件深度測(cè)試，在片元著色器中進(jìn)行軟件深度測(cè)試。

（2）分配鏈表

圖1　光源和場(chǎng)景幾何體

圖2　光源鏈表結(jié)構(gòu)初始圖

如圖2所示，LightFragmentLinkedBuffer結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)最大最小深度值，幾何體的最小最大深度值被硬件光柵化，卻是在不同的時(shí)間傳送到片元著色器。光源幾何體的最小深度值等于光源正面的深度值，最大深度值等于光源背面的深度值。

第一遍Pass打開(kāi)背面裁剪，僅允許光柵化光源幾何體正面。在OpenGL的片元著色器中可以通過(guò)gl_FrontFacing判斷是否當(dāng)前三角片元是否為正面。當(dāng)前片元為正面時(shí)執(zhí)行軟件深度測(cè)試。并且比較當(dāng)前光源結(jié)合體的深度值和深度緩沖器的深度值，如果深度測(cè)試失敗，那么提前返回，不必接著做后續(xù)計(jì)算。光源索引可通過(guò)OpenGL原子計(jì)算器執(zhí)行遞增操作，每個(gè)片元都會(huì)得到唯一的正整數(shù)值。LightStartOffsetBuffer使用頭插法來(lái)更新頭指針鏈表。而LightFragmentLinkedBuffer寫(xiě)入光源的索引，最小深度值，以及Next指針。因?yàn)楝F(xiàn)在沒(méi)法得到光源幾何體的背面深度值，所以暫時(shí)不寫(xiě)入最大深度值。

第二遍Pass打開(kāi)正面裁剪，硬件光柵化光源幾何體的背面。因?yàn)長(zhǎng)ightStartOffsetBuffer紋理大小和窗口一致，所以可以通過(guò)轉(zhuǎn)換的紋理坐標(biāo)取紋理值得到頭指針。根據(jù)頭指針的索引取出LightFragmentLinked-Buffer的數(shù)據(jù)，如果當(dāng)前渲染的光源幾何體的索引和緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的光源索引一致，那么更新最大深度值，并且提前結(jié)束鏈表循環(huán)。

（3）鏈表訪問(wèn)

前向渲染和延遲渲染訪問(wèn)光源鏈表都是一樣的方式，LightStartOffsetBuffer取出當(dāng)前片元鏈表的頭指針?biāo)饕Ｈ绻^指針?biāo)饕行?，那么表明?dāng)前片元存在鏈表數(shù)據(jù)。根據(jù)頭指針?biāo)饕〕鯨ightFragmentLinked-Buffer的數(shù)據(jù)，包含最小最大深度值，進(jìn)行簡(jiǎn)單的深度測(cè)試。如果當(dāng)前場(chǎng)景幾何體的深度值在光源幾何體的深度值區(qū)間，表明會(huì)被光源幾何體所影響，進(jìn)而進(jìn)行光照計(jì)算。如果位于區(qū)間外，結(jié)束本次渲染繼續(xù)進(jìn)行鏈表遍歷。最后計(jì)算出當(dāng)前片元被光源鏈表中光源的光照值，再用 HDR（High-Dynamic Range）[3]把光照結(jié)果映射到計(jì)算機(jī)所表示的顏色區(qū)間。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文算法的運(yùn)行環(huán)境為：Intel Xeon CPU E3-1230 V2@3.30GHz的處理器，8G內(nèi)存，顯卡為NVIDIA Ge-Force 670和Windows 10的操作系統(tǒng)，編程環(huán)境為Visual Studio 2012。

圖3　光源鏈表無(wú)序訪問(wèn)視圖

圖4　延遲光照和LLL算法效果對(duì)比

3.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）效果分析

如圖4（a）所示，在傳統(tǒng)延遲光照渲染光線中，程序無(wú)法處理透明物體天馬。但是在圖4（b）中，光源鏈表算法統(tǒng)一了不透明物體和透明的物體的光照過(guò)程，使用相同的鏈表緩存來(lái)計(jì)算光照，因此圖中天馬帶有平行光和點(diǎn)光源的光照效果。

（2）效率分析

表1　LLL算法和DS+FS效率對(duì)比（單位:FPS）

表1可以看出，光源鏈表算法在多光源場(chǎng)景中可以提高延遲光照的性能。在少量光源時(shí)，因?yàn)榻⒐庠葱枰~外花費(fèi)時(shí)間，所以少量光源場(chǎng)景時(shí)處理透明物體性能提升不明顯。而在多光源場(chǎng)景或者場(chǎng)景中存在多個(gè)透明物體時(shí)光源鏈表算法可以更好提升性能。因?yàn)檠舆t渲染管線需要多一個(gè)前向渲染繪制過(guò)程，其次前向渲染是沒(méi)有解耦光源和物體，最后對(duì)延遲渲染引擎也是一個(gè)額外的負(fù)擔(dān)。

光源鏈表算法統(tǒng)一了透明和不透明物體，光源數(shù)據(jù)都在顯存中，無(wú)需從CPU端到GPU端帶寬的占用。而且光源鏈表解耦光源和物體，只需要針對(duì)光源幾何體內(nèi)部做深度測(cè)試，通過(guò)片元就進(jìn)行光照，進(jìn)而提高了性能。

4　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)于三維場(chǎng)景中帶有透明物體或粒子等特效時(shí)，光源鏈表算法能幫助簡(jiǎn)化了光照渲染管線。而且光源鏈表算法能改善延遲渲染的性能。除此之外，光源鏈表算法的靈活性容易集成傳統(tǒng)光照算法，例如材質(zhì)是皮膚、頭發(fā)、布料、汽車(chē)噴漆等。未來(lái)的工作考慮設(shè)計(jì)緩存并發(fā)的光源鏈表結(jié)構(gòu)體來(lái)進(jìn)一步提高性能。

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