HDR特效在3D游戲中的應(yīng)用

尚冰

【摘要】隨著技術(shù)的發(fā)展，3D游戲畫面越來(lái)越趨于真實(shí)化，游戲用戶不但要求游戲中的每一種物體具有真實(shí)的外觀以及物理特性，同時(shí)還要有真實(shí)的光影效果。HDR高動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)光照渲染目前是一種在3D游戲中流行特效技術(shù)，它能實(shí)時(shí)模擬真實(shí)的光照環(huán)境，通過(guò)光線實(shí)時(shí)計(jì)算及渲染體現(xiàn)物體質(zhì)感與細(xì)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)游戲畫面真實(shí)性的要求。本文主要探討了HDR特效的技術(shù)原理、HDR與Bloom的區(qū)別以及游戲中HDR特效實(shí)現(xiàn)方法等。

【關(guān)鍵詞】3D游戲;HDR特效;Bloom特效;實(shí)時(shí)渲染

1.概述

3D游戲制作中，照明計(jì)算量龐大，早期游戲制作人員通常借助圖像像素的R、G、B值計(jì)算該點(diǎn)的灰度值，由灰度值計(jì)算場(chǎng)景的亮度， 但是現(xiàn)實(shí)中的照明信息僅用一個(gè)8bit的RGB圖像描述，當(dāng)場(chǎng)景亮度、對(duì)比度大到一定程度時(shí)，就不再能真實(shí)地記錄場(chǎng)景亮度信息，導(dǎo)致部分亮度信息丟失，這也將使場(chǎng)景中的真實(shí)的光影效果等無(wú)法體現(xiàn)。HDR特效技術(shù)解決了這一問(wèn)題。在游戲領(lǐng)域，HDR特效指的就是HDR實(shí)時(shí)渲染，它通過(guò)HDR高動(dòng)態(tài)范圍光照非線性的調(diào)和映射到顯示器能夠顯示的LDR低動(dòng)態(tài)光照范圍，最大程度保存了明暗對(duì)比細(xì)節(jié)，這使為3D 游戲場(chǎng)景提供高度仿真的光照效果成為可能。HDR特效最早是在nVIDIA的顯卡實(shí)現(xiàn)的，ATI的SMARTSHADER技術(shù)也包含這種HDR技術(shù)。如今能否實(shí)現(xiàn)HDR特效已經(jīng)成為游戲用戶判斷一款3D游戲是否優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)之一。

2.HDR特效的技術(shù)原理

HDR特效包括曝光控制和光暈效果兩個(gè)環(huán)節(jié)。曝光控制是其核心環(huán)節(jié)，主要是計(jì)算當(dāng)前要渲染的高動(dòng)態(tài)范圍圖像的平均亮度，然后根據(jù)平均亮度確定一個(gè)曝光參數(shù)，通過(guò)這個(gè)曝光參數(shù)將圖像正確地映射到屏幕能顯示的顏色區(qū)域內(nèi);即將高動(dòng)態(tài)范圍的圖像映射到電腦屏幕能夠顯示的的范圍內(nèi)，這一過(guò)程在HDR渲染中被稱之為Tone Mapping（調(diào)和映射）。調(diào)和映射有不同的算法，但都是從高動(dòng)態(tài)范圍到低動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)映射，統(tǒng)稱為 Tone Mapping Operator（TMO），TMO的質(zhì)量的高低直接決定了圖像的最終質(zhì)量。所謂光暈效果，就是抽出場(chǎng)景中色彩比較亮的部分，然后加以模糊，使這些較亮的像素?cái)U(kuò)散到周圍的像素中，再把模糊后的圖像疊加在Tone Mapping之后的圖像上;光暈效果對(duì)表現(xiàn)高亮的像素起著非常重要的作用。

需要說(shuō)明的是，在曝光控制與光暈效果在開始之前，需獲得一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍的圖像（HDRI）。高動(dòng)態(tài)范圍圖像的每個(gè)像素都由浮點(diǎn)型的R，G，B分量表示，每個(gè)R，G，B分量值可以任意大。對(duì)渲染器而言，每個(gè)像素就是一個(gè)浮點(diǎn)紋理。要將3D場(chǎng)景渲染到一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍的浮點(diǎn)紋理中。首先為3D場(chǎng)景中的每個(gè)表面創(chuàng)建一張浮點(diǎn)格式的光照貼圖，光照貼圖的每個(gè)像素代表了表面上相應(yīng)位置的光強(qiáng)。然后使用OpenGL的FBO（幀緩沖對(duì)象）將綁定了浮點(diǎn)光照貼圖的場(chǎng)景渲染到一個(gè)同屏幕大小一致的浮點(diǎn)紋理中。

3.3D游戲中的HDR特效

3.1 HDR+AA/AF

在3D游戲中，HDR實(shí)時(shí)渲染可使游戲畫面中亮的部分更加明亮，暗的地方更加黑暗，整個(gè)畫面的細(xì)節(jié)豐富而清晰，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的光影效果。但AA（全屏抗鋸齒）和AF（各向異性過(guò)濾）也對(duì)畫面的質(zhì)量起至關(guān)重要的作用。全屏抗鋸齒技術(shù)能夠消除畫面中圖形邊緣的鋸齒，使畫面看起來(lái)更為平滑。各向異性過(guò)濾則是一種特殊的過(guò)濾技術(shù)，可對(duì)部分相對(duì)不重要的視覺(jué)部分減少精度，從而提高顯示速度。HDR與AA/AF在技術(shù)上沒(méi)有直接的關(guān)系，但3D游戲開啟HDR后如AA缺失畫面將出現(xiàn)明顯的鋸齒，只有HDR+AA/AF才可以實(shí)現(xiàn)完美的高精度的圖像，實(shí)現(xiàn)AA/AF在提高畫面質(zhì)量的同時(shí)也成為衡量顯卡性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。但是在早期，顯卡技術(shù)不成熟，這導(dǎo)致在多數(shù)3D游戲無(wú)法實(shí)現(xiàn)在HDR渲染的情況下再開啟AA。

3.2 HDR類型

HDR動(dòng)態(tài)3D渲染是對(duì)3D游戲場(chǎng)景的光線進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，生成動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的3D高動(dòng)態(tài)范圍光照。HDR動(dòng)態(tài)3D渲染有4種：FP16 HDR、FP24 HDR、FP32 HDR.、INT HDR。FP16 HDR即16位半精度浮點(diǎn)HDR，每通道16bit，速度快，但效果較差，早期支持HDR的游戲大都是FP16HDR。.FP24 HDR 即24位浮點(diǎn)HDR，每通道采用24bit。速度較快，效果也較好。FP32 HDR即32位單精度浮點(diǎn)HDR，每通道32bit，速度較慢，效果比FP16和24 HDR好，對(duì)顯卡運(yùn)算性能要求很高，被目前大多數(shù)新游戲采用。.INT HDR即整數(shù)HDR，計(jì)算過(guò)程采用32位單精度浮點(diǎn)，儲(chǔ)存采用整數(shù)。效果優(yōu)于FP16 HDR和FP24HDR，但遜于FP32 HDR，由于速度慢、編程困難，現(xiàn)已被淘汰。

3.3 3D游戲中的HDR特效與Bloom特效區(qū)別

Bloom“全屏泛光”，是虛幻3游戲引擎中最為通用的特效技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)主要依賴于PostProcess框架，即實(shí)時(shí)繪制當(dāng)前場(chǎng)景到一后臺(tái)渲染表面，而后針對(duì)其對(duì)應(yīng)貼圖進(jìn)行像素級(jí)渲染。Bloom和HDR不同之處主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面：

第一，HDR效果是超亮的光照與超暗的黑暗的某種結(jié)合，這個(gè)效果是光照產(chǎn)生的。強(qiáng)度、顏色等通過(guò)游戲程序可以動(dòng)態(tài)控制;bloom特效則是物體本身發(fā)出的光，僅僅是將光照范圍調(diào)高到過(guò)飽和，這是游戲程序無(wú)法動(dòng)態(tài)控制的。bloom效果實(shí)現(xiàn)的光照強(qiáng)度可能不會(huì)很真實(shí)，同時(shí)也是不可變的。

第二，實(shí)現(xiàn)BLOOM特果無(wú)需HDR，它只支持8位RGBA，而HDR最高支持到32位RGBA。其實(shí)現(xiàn)效果受到限制

第三，實(shí)現(xiàn)BLOOM特效較為簡(jiǎn)單，Bloom效果不受顯卡的性能的限制，TNT顯卡上也可實(shí)現(xiàn)bloom效果。而HDR特效，必須是nVIDIA6XXX以上的顯卡才能夠?qū)崿F(xiàn)，nVIDIA和ATI的顯卡所實(shí)現(xiàn)的HDR是有區(qū)別的，從畫面效果來(lái)看，nVIDIA的顯卡實(shí)現(xiàn)的HDR好些。從技術(shù)角度而言，ATI的HDR是另一種途徑實(shí)現(xiàn)的盡可能接近的HDR，不能算“真”HDR，即使ATI的R520也只能實(shí)現(xiàn)FP16 HDR的效果。

圖1 Bloom特效開啟

實(shí)際上，游戲開發(fā)商常常將兩種特效一起使用以達(dá)到一個(gè)最終的效果。你在游戲中，從黑暗的房間中走到太陽(yáng)地中，你眼前的景物會(huì)很刺眼，隨后亮度會(huì)降低，完全就同現(xiàn)實(shí)中的情況一致。這就是HDR特效的威力。而bloom效果實(shí)現(xiàn)的光照強(qiáng)度可能不會(huì)很真實(shí)，同時(shí)也是不可變的。下圖是Bloom特效的演示，如圖1所示。

4.3D游戲中HDR特效的實(shí)現(xiàn)

在3D游戲中，HDR特效并不是標(biāo)準(zhǔn)的光線模式，它只是—個(gè)虛擬的渲染算法。通過(guò)提高圖片的亮度來(lái)為將要渲染的場(chǎng)景指定環(huán)境光源。HDR在3D游戲中可以模擬肉眼適應(yīng)光線的變化，讓場(chǎng)景更加逼真，提升游戲的真實(shí)感，同時(shí)也讓景色更加鮮明，陰暗和明亮部份的細(xì)節(jié)也能更清楚地呈現(xiàn)。以下面的游戲片段為例，當(dāng)手槍打破建筑物的玻璃后，強(qiáng)烈的光線讓玩家的瞳孔收縮，四周原本的影像也暗了下來(lái)。一但視角轉(zhuǎn)回陰暗的室內(nèi)，過(guò)了一兩秒，眼睛適應(yīng)了黑暗，瞳孔慢慢放大，眼前昏暗的視線就逐漸亮了起來(lái)。

4.1 不斷變換的光強(qiáng)

這兩張圖片表現(xiàn)了游戲的曝光控制功能，它能夠模擬人眼自動(dòng)適應(yīng)光線變化的能力，如果你盯著一個(gè)面向陽(yáng)光直射的物體，物體表面則有強(qiáng)烈的光反射（見(jiàn)圖2）;如果盯著不放，物體表面的泛光會(huì)漸漸淡出，還原出更多的細(xì)節(jié)（見(jiàn)圖3）。HDR特效是變化的，因此稱做高動(dòng)態(tài)光照。

圖2 不斷變換的光強(qiáng) ? ? ? ? ? ?圖3 不斷變換的光強(qiáng)

（光強(qiáng)度較高） ? ? ? ? ? ? （光強(qiáng)度隨視線減弱）

4.2 HDR的立方體映射

在HDR的立方體映射圖4中，槍閃亮的金屬表面很實(shí)際的反映出周圍事物留下的倒影，藍(lán)天映襯在擊錘左側(cè)，而褐色的建筑出現(xiàn)在右側(cè)，該場(chǎng)景中地面和前方的場(chǎng)景是比較暗的，以前的光渲染方式肯定會(huì)將手槍表面和周圍場(chǎng)景一致化，做出來(lái)的效果就是一團(tuán)黑或者手槍表面是永遠(yuǎn)單調(diào)的反光。

圖4 HDR的立方體映射

4.3 HDR開/關(guān)畫質(zhì)對(duì)比

HDR特效是實(shí)時(shí)產(chǎn)生的，關(guān)掉并不影響游戲運(yùn)行，但它和其它特效一起，共同產(chǎn)生了逼真的畫面（如圖6）。關(guān)掉HDR對(duì)比下面的畫面，圖5是是關(guān)掉HDR之后的效果，以旁人眼光來(lái)看也還不錯(cuò)，體驗(yàn)過(guò)HDR效果的游戲用戶，就無(wú)法再面對(duì)那些平淡無(wú)奇的畫面了。

圖5 HDR未開 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖6 HDR打開

5.結(jié)語(yǔ)

HDR特效改善了游戲中混亂的，缺乏層次的，銜接生硬的光照效果，得到的是逼真的，更具層次感的，淡入淡出柔和的光感，在最大化保留細(xì)節(jié)的同時(shí)使得亮的地方更亮，暗的地方更暗，這一切使3D游戲畫面更加的符合人類的視覺(jué)特征。動(dòng)態(tài)、趨近真實(shí)的物理環(huán)境是HDR的特效表現(xiàn)原則，但HDR特效只是電腦3D游戲眾多畫面特效中的一種，將來(lái)電腦游戲特效會(huì)發(fā)展到什么層度，現(xiàn)在無(wú)法下結(jié)論，但是有一點(diǎn)可以肯定，那就是3D游戲畫面和物理效果都將越來(lái)越真實(shí)。

參考文獻(xiàn)

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