计算机动画与游戏技术调研.docx

计算机动画与游戏技术调研1214042904 张哲峰1 三维游戏技术调研1.1视频游戏的历史1952年剑桥大学的A.S. Douglas为益智游戏Tic-Tac-Toe在EDSAC（延迟存储电子自动计算机）上编写了一个图形游戏版本Noughts and Crosses。这是视频游戏的雏形，游戏画面用阴极射线管显示。这个游戏只能实现图形的显示，还不能完全称为视频游戏。图1 A.S. Douglas的Noughts and Crosses第一个具有里程碑意义的视频游戏为1958年William Higinbotham在Brookhaven国家实验室的一台示波器上实现的双人网球游戏——Tennis for Two。图2 Tennis for Two有趣的是，芬兰程序员Pekka V??n?nen使用通过修改的Darkplaces 引擎来渲染游戏，成功的将《雷神之锤》移植到示波器上[2]，并可以流畅运行。早期的游戏背景是不变的，玩家在一个固定的背景中进行游戏。雅达利1978年发售的体育游戏Football引入了一种新的画面显示方式，背景会随着玩家角色的移动而改变，这种显示技术被称作卷轴。卷轴很快成为了主流技术，80年代许多成功的游戏如日本任天堂公司的Mario系列都采用的这种技术。图3 football1975年矢量绘图也由Larry Rosenthal引入到了游戏设计领域。借助这种技术，游戏设计者可以精确地绘制图形，并且三维线框模型也成为可能。第一款3D游戏是1973年在加里福利亚的美国宇航局Ames研究中心的一台Imlac PDS-1上诞生的，它的创造者是Steve Colley。这款叫Maze War的游戏在接下来的几十年里有着数以千计的模仿者。图4 Maze war早期3D游戏使用的是Flat-Shaded图形学和简单的材质贴图。直到1996年，Voodoo公司推出第一块面向个人电脑的3D图形加速卡,它的出现使更精细的3D图形出现在视频游戏中成为可能。视频游戏的不断发展在一定意义上也推动着计算机图形学的不断进步，如今完美的影像效果已成为视频游戏必不可少的组成部分。1.2游戏常用图形技术1.2.1 纹理映射传统的几何造型技术只能表示景物的宏观形状，而无法有效地描述景物表面的微观细节，但恰恰是这些细微特征极大地影响着景物的视觉效果。纹理映射技术以纹理图像作为输入，通过定义纹理与物体之间的映射关系，将图像映射到简单景物几何形态上合成出具有真实感的表面花纹、图案和细微结构。在纹理映射中，除了在相机距离物体很远时产生走样外（可采用MIPMAP技术解决），当相机非常靠近物体时也会发生问题。一个很直观的办法是使用更精细、尺寸更大的纹理。这既带来了显存的负担，也没有从根本上解决问题，即当视点更靠近物体时，方法仍将失效。凹凸纹理记录了物体表面小尺度的高度场变化，即物体表面相邻点的高度的差分。每个点的差分在绘制时改变了曲面的法向，采用多步纹理映射模式进行光照明计算。凹凸映射通常在每个像素层次上扰动法向向量，并用纹理作为输入，记录扰动值。在图形引擎中，出于对效率的考虑，也可以在顶点基础上扰动法向量。包括浮雕型凹凸映射、环境凹凸纹理映射、法向映射。与凹凸纹理映射不同的是，位移纹理映射既能模拟凹凸的表面细节，还能模拟微观的几何扰动，缺点是图形硬件不支持逐像素的位移映射，因而只能采用自适应网格剖分的折衷方案。与凹凸纹理映射和位移纹理映射不同，环境纹理映射的目标是模拟某个物体的周围环境。球面环境映射是一个非均匀映射，因而会导致图像扭曲变形现象，这在两极尤为严重。此外，球面投影缺乏一种适合于计算机存储的表示方法。尽管立方体环境映射克服了球面环境映射的一些缺陷，但对非计算机生成的图像，实拍获得立方体环境映射是非常困难的。这是因为立方体环境映射是由6幅广角为90°的画面构成，它们之间的拼接要求精确的摄像机定位技术。由于平面投影也是非均匀的，在立方体的边界和角点处仍存在采样过多的问题。光照映射则模拟光源对物体表面光亮度的影响，极大地节省了在线的光照明计算，是三维游戏图形引擎中不可或缺的技术。下表比较了上述几类高级纹理映射技术的异同。　阴影遮挡改变几何反射图形硬件实现实用性常规纹理映射无无无无直接支持强凹凸纹理映射可以无无无方便强位移映射无可以可以无困难弱球面环境映射无无无可以可以中等立方体环境映射无无无可以直接支持强光照映射可以可以无可以方便强表格1几种高级纹理映射技术的比较图5常规纹理映射、凹凸映射、位移映射比较1.2.2 混合式图像和几何绘制传统的图形绘制技术是面向场景几何的，涉及到场景的建模、消隐和光亮度计算，面对对高度复杂的场景，现有的图形硬件仍无法实时绘制简化后的游戏场景。基于图像的建模与绘制技术（Image based modeling and ren