在游戲中通過法線映射模擬體積渲染效果

劉贇

（北京極光互動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司 北京市 100028）

在游戲項目中，茂盛的植物一直是一個渲染難點(diǎn)，因為游戲項目需要盡量減少多邊形數(shù)量，而郁郁蔥蔥的植物很難用較少的多邊形表現(xiàn)出來。以往的方案大多是直接用交叉多邊形片加貼圖來表現(xiàn)光照效果，但是當(dāng)光線發(fā)生動態(tài)變化時，或者當(dāng)觀察視角旋轉(zhuǎn)時，這種方法就會露出破綻。

另一種方法是用多邊形片包裹成實體形狀，這種方法的問題是難以表現(xiàn)不規(guī)則的形狀，通常用來創(chuàng)建修剪過的規(guī)則植物。

茂盛植物的視覺效果有一些特點(diǎn)，很難直接用多邊形和貼圖來表現(xiàn)。首先是形狀十分復(fù)雜，而游戲需要盡量精簡多邊形數(shù)量；其次植物的葉子是半透明的，密集的樹葉在光照下看上去很像實體，尤其是背光時能看到整個樹冠會有發(fā)亮的邊緣。這些特殊的視覺效果，用傳統(tǒng)的模型加貼圖的方法很難較好的表現(xiàn)。

通常3D 多邊形的點(diǎn)（Vertex）都有法線屬性（Normal），用來記錄點(diǎn)的方向，是渲染時實現(xiàn)光照的依據(jù)。Vertex Normal 原本是來源于Surface Normal，但我們可以通過反向改變Vertex Normal 來影響Surface Normal 的渲染，進(jìn)而實現(xiàn)用較少的多邊形數(shù)量達(dá)到復(fù)雜的體積渲染效果。

經(jīng)過實踐，將復(fù)雜模型（高模）的Vertex Normal 數(shù)據(jù)，通過一定的算法完全可以映射到低模的頂點(diǎn)上，進(jìn)而使光照渲染時更接近高模的體積效果，再配合恰當(dāng)?shù)馁N圖，可以用少量頂點(diǎn)和多邊形渲染出更接近真實復(fù)雜植物的光照效果。

這種方法可以用低模實現(xiàn)不規(guī)則高模體積光照效果，因此主要適用于游戲項目中對植物的模擬，但同時也適合影視CG 中出現(xiàn)大量植物的場合，可以有效提高渲染效果與渲染效率。

1 傳統(tǒng)渲染植物的方法

在以往的游戲項目中，樹叢之類比較濃厚茂密的植物通常有兩種模型結(jié)構(gòu)，一種是多邊形面片中心交叉結(jié)構(gòu)；另一種是多邊形面片表面包裹結(jié)構(gòu)。

將這兩種模型導(dǎo)入游戲引擎中，可以看到渲染結(jié)果如圖1所示。

這兩種模型結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，也各自有適用范圍，在實際游戲項目中經(jīng)常是根據(jù)需求來混用的。

第一種模型結(jié)構(gòu)通常用于自然生長、外形不規(guī)則的茂盛植物，如樹冠、灌木叢等；第二種則多用于人工修剪過的植物，如方形的植物墻等等。但是無論哪種方式，都有一種機(jī)械和不自然的感覺，因為在光照渲染下，模型的面片結(jié)構(gòu)都比較明顯。這種不自然的感覺，在光線角度變化、或者觀察角度變化時會尤其明顯。

圖1

圖2

突兀的“面片”感，可以通過改變模型法線來改善，但一般要么是直接設(shè)置為簡單的放射狀（球狀）法線，使光照效果過于簡化，要么則需要手動設(shè)置頂點(diǎn)法線，操作比較繁瑣。本文將提出一種更簡單的自動法線映射方法，既可以實現(xiàn)流程自動化，只需要創(chuàng)建好低模，后續(xù)步驟就可以自動完成，又可以使效果更符合低模結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)實體植物的層次感。

2 現(xiàn)實中的植物光照效果分析

如果仔細(xì)觀察真實世界里的光照下的茂盛植物，可以發(fā)現(xiàn)有幾個比較明顯的特點(diǎn)：

首先，在光照下，茂盛的樹葉有明顯的體積感，盡管體積的形狀不規(guī)則，但是可以明確的劃分出亮面與暗面。其次，由于大部分植物的葉片本身呈半透明狀，因此在光照下，整體會呈現(xiàn)比較明顯的通透感。如果要在游戲中表現(xiàn)出以上茂盛樹葉的光照效果，往往需要更多的多邊形數(shù)量，而對游戲來說，性能十分重要，原則是使用盡量少的資源表現(xiàn)盡量好的效果，特別是在手機(jī)游戲項目中，對多邊形數(shù)量的要求更加苛刻，這就對游戲美術(shù)人員提出了更高的要求。

3 法線映射原理分析

3D 模型的頂點(diǎn)法線（Vertex Normal）是由三個數(shù)值組成的一個向量（Vector），是渲染模型時計算光照的基本依據(jù)。通常情況下，Vertex Normal 的數(shù)值是由Face Normal 的歸一化平均值（normalized average）計算而來，這樣就可以在渲染的時候正確計算多邊形平面的光照。但是，也可以通過其它方法改變Vertex Normal 的值，進(jìn)而影響多邊形表面的光照渲染。

法線映射的基本原理可以分為三部分：第一，創(chuàng)建在游戲中使用的片狀交叉多邊形（低模）；第二，創(chuàng)建用于映射法線的實體多邊形（高模）；第三，尋找每一個對應(yīng)低模vertex 的高模vertex 并進(jìn)行映射。下面分別對每個步驟的原理進(jìn)行解釋。

首先是創(chuàng)建在游戲中使用的片狀交叉多邊形，俗稱“低?！保词窃谟螒蛑袑嶋H使用的3D 模型。由于最終需要重新設(shè)置頂點(diǎn)法線信息，因此模型的多邊形和表面法線（Surface Normal）信息并不是很重要，重要的是頂點(diǎn)數(shù)量和位置。這里以游戲中常見的低模植物交叉面方式為例。由于默認(rèn)的頂點(diǎn)法線信息直接由表面法線計算而來，因此看上去就是多邊形本身的光照效果，也就是很多方形片的效果。

4 使用SideFX Houdini實現(xiàn)法線映射

Houdini 是一款由加拿大Side Effects Software Inc.（ 簡稱SESI）公司開發(fā)的三維計算機(jī)圖形軟件，廣泛用于游戲和影視等3D 視覺效果領(lǐng)域。本節(jié)將使用Houdini 為例實現(xiàn)法線映射的過程，但使用其他大部分支持編程擴(kuò)展的3D 建模軟件（例如Blender、Autodesk 3DS Max 或Autodesk Maya 等）也都是可行的，只要使用特定軟件所支持的腳本語言即可。

首先創(chuàng)建低模模型。在Houdini 中，先創(chuàng)建一個最基本的四邊形（Grid），然后進(jìn)行簡單的復(fù)制即可完成。創(chuàng)建低模的步驟在不同的建模軟件中有不同的流程，但最后得到的結(jié)果應(yīng)該是基本相同的，這里不詳細(xì)贅述Houdini 的建模過程。該模型共由168 個四邊面組成，頂點(diǎn)數(shù)為672。

這里需要進(jìn)行說明的是，Houdini 中有Point 和Vertex 兩種元素，這兩種元素目前沒有標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的中文，經(jīng)常會被混稱為“頂點(diǎn)”，但這兩個元素還死活略有不同。由于不同的軟件對模型頂點(diǎn)的處理方式也不盡相同，這里不進(jìn)行詳細(xì)贅述。在本例中，將使用Point作為映射元素，而不是使用Vertex。

下一步是創(chuàng)建用來映射原始頂點(diǎn)法線信息的高模。在Houdini中可以利用Polygon 和VDB 狀態(tài)互相轉(zhuǎn)換而實現(xiàn)從低模直接創(chuàng)建形狀對應(yīng)的高模。

VDB 是Volumes with Dynamic Topology 的縮寫，是Houdini 中的一種通用體積數(shù)據(jù)類型，這種類型可以和polygon 實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。

在Unity 引擎中渲染：

為模型增加UV 之后，就可以導(dǎo)入游戲引擎，加上材質(zhì)，觀察最終效果了。本例以Unity 為例，來對比使用法線映射之前和之后的效果。

在Unity 中創(chuàng)建一個材質(zhì)，該材質(zhì)需要使用的shader 至少要支持Alpha 透明和雙面顯示。本例中還在Shader 中增加了Fresnel 效果，用來模擬樹叢的反光和半透明邊緣，可以使渲染效果看起來更通透。

將該材質(zhì)球分別賦予法線映射前和法線映射后的兩個樹叢模型，渲染效果對比如圖2所示。

可以看出，法線映射后的效果非常明顯，樹叢有了體積感，亮面與暗面的渲染都呈現(xiàn)了實體效果，F(xiàn)resnel 也可以比較正確的模擬環(huán)境反光的顏色。

5 結(jié)論

本文介紹了一種在游戲中渲染不規(guī)則復(fù)雜物體的方法，只要面數(shù)極少的低模就可以比較好的渲染出有層次和體積感的復(fù)雜效果，適合用于茂盛的植物、灌木等物體的渲染，也可以用于類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)的其它物體，如成捆的鐵絲、樹枝或毛線等。如果對體積光照渲染效果要求更高，可以在本文基礎(chǔ)上手動調(diào)整法線，或者手動創(chuàng)建用于映射頂點(diǎn)法線的模型。在實際項目中，還可以根據(jù)需要增加vertex color、normal map 等技術(shù)，在不需要增加額外資源開銷或只需要很少資源的前提下，進(jìn)一步提高實際表現(xiàn)效果。這些技術(shù)都是游戲美術(shù)人員所熟知的，更多依賴審美和經(jīng)驗，所以沒有在本文中提及。此方法也可以用于影視離線渲染中大量植被渲染，可以有效提高渲染效果，并節(jié)省開發(fā)時間和渲染時間。