图形渲染 – 键盘喵のXR游戏开发

快速LightMap烘焙

什么是烘焙? 简单地说, 就是把物体光照的明暗信息保存到纹理上, 实时绘制时不再进行光照计算, 而是采用预先生成的光照纹理(lightmap)来表示明暗效果. 那么, 这样有什么意义呢?

好处:

由于省去了光照计算, 可以提高绘制速度
对于一些过度复杂的光照(如光线追踪, 辐射度, AO等算法), 实时计算不太现实. 如果预先计算好保存到纹理上, 这样无疑可以大大提高模型的光影效果
保存下来的lightmap还可以进行二次处理, 如做一下模糊, 让阴影边缘更加柔和

当然, 缺点也是有的:

模型额外多了一层纹理, 这样相当于增加了资源的管理成本(异步装载, 版本控制, 文件体积等). 当然, 也可以选择把明暗信息写回原纹理, 但这样限制比较多, 如纹理坐标范围, 物体实例个数...
模型需要隔外一层可以展开到一张纹理平面的UV(范围只能是[0,1], 不能重合). 如果原模型本身就是这样, 可以结省掉. 但对于大多数模型来说, 可能会采用WRAP/MIRROR寻址, 这只能再做一层, 再说不能强制每个模型只用一张纹理吧? 所以, lightmap的UV需要美术多做一层, 程序展开算法这里不提及....
静态的光影效果与对动态的光影没法很好的结合. 如果光照方向改变了的话, 静态光影效果是无法进行变换的. 而且对于静态的阴影, 没法直接影响到动态的模型. 这一点, 反而影响了真实度

肯定不只这几点,但我暂时只想到这几点

那么怎么生成lightmap呢?

最直接的办法: 光线追踪....(原理想想很简单, 按照物体定律来就可以了)

但是光线追踪这东西......就算用来离线生成我都嫌慢-_-

下面说的这个是利用GPU进行计算的, 跟实时光照没什么两样:

原理:

想想实时渲染的顶点变换流程: pos * WVP之后, 顶点坐标就变换到屏幕空间了[-1, 1]

如果VertexShader里直接把纹理坐标做为变换结果输出(注意从[0,1]变换到[-1,1]), 那么相当于直接变换到了纹理坐标系, 这时在PixelShader里还是像原来那样计算光照, 输出的结果就可以拿来做lightmap了

示例:

这是一个典型的Phong光照模型下的球(这里不考虑阴影效果, 对它不需要进行特殊处理):

这是VS:

view plain copy to clipboard print ?

VS_OUTPUT vs_main( VS_INPUT Input )
{
VS_OUTPUT Output = (VS_OUTPUT)0;
Output.Position = mul( Input.Position, matViewProjection );
Output.Texcoord = Input.Texcoord;
float3 fvObjectPosition = mul( Input.Position, matView );
Output.ViewDirection = fvEyePosition - fvObjectPosition;
Output.LightDirection = fvLightPosition - fvObjectPosition;
Output.Normal = mul( Input.Normal, matView );
return( Output );
}

把原来的WVP变换改成变换到纹理坐标系:

view plain copy to clipboard print ?

//Output.Position = mul( Input.Position, matViewProjection );
// transform to projection space
Output.Position.xy = Input.Texcoord * float2(2, -2) + float2(-1, 1);
Output.Position.w = 1;

输出的结果就成这样了:

保存下来可以直接使用. 这里我用的模型比较特殊, 本身的UV就满足前面提到的条件, 所以直接跟原纹理叠加就可以. 当然, 如果只保存明暗信息的话, 就不影响原纹理的复用, 因为通常lightmap不需要很高的精度:

有了lightmap, 再次画的时候就简单了, 只需要贴纹理, 光照大可以关掉:

如果还想要一更好的效果, 可以加入一些实时的全局光照算法, 如Dynamic Ambient Occlusion之类...阴影同理...

各种光照的算法原理

原文链接：http://www.nitrogen.za.org/viewtutorial.asp?id=5

这个教程用到了向量数学知识，如果你对向量数学还不是很了解，请先阅读向量教程：read the tutorial。

光照与物体表面的相互作用可以通过将一些数学公式应用于基于per
pixel（区别于基于顶点）的着色，从而模拟出真实生活中的各种材质效果。比如浮雕效果，波浪效果，油漆效果等。

在这个教程中，我们有如下假定：

第一，我们讨论的是基于像素着色（per-pixel
basis），每个pixel有它自己的位置向量，法线向量以及表面颜色（Surface
color，在这里可以是来自纹理的颜色，也可以是RGB颜色（flat color））；

第二，表面颜色（Surface color）通常是由R,G,B三部分组成，在这个教程中，我们把它当作一个向量看待；

第三，输入表面颜色（光照处理前的表面颜色，这里的“输入”可以理解为函数的输入参数的“输入”）只是普通的颜色（单纯的纹理颜色或者RGB颜色），而输出表面颜色（光照处理后的表面颜色）是光照作用于表面的合成颜色，如可以是有阴影，高光等效果的颜色。

第四，这个教程中假设每个场景中只有一个灯光。对于多灯光的场合，对每一个灯光循环进行这些运算（环境光除外）。

好了，让我们开始讲解各种光照的算法原理

Ambient Lighting 环境光

在真实生活里，有光线的房子里的物体不会是全黑的，总有一些光量子照亮物体表面，即使这个表面是背对光源的，这就是环境光的原因。我们不考虑环境光的照射方向，我们总认为场景中的物体，不论它在什么位置，总会受到一定数量的环境光照射（全局照明）。环境光照算法如下：

Inputs:

Col – 物体原表面颜色

AmbAmount – 场景中环境光的强弱程度 (介于0 到 1之间)

Outputs:

SurfaceColor – 环境光照作用之后的表面颜色

SurfaceColor = Col*AmbAmount;

环境光照效果图：

Lambert Shading （郎伯特着色，郎伯特：物理上的亮度单位，在这里就是漫射光作用）

现在我们真正开始考虑一束光照射在物体表面上的作用过程，我们使用最常见的光照算法-------漫反射光照着色或者说郎伯特余弦定律或郎伯特着色（三个都一回事），这个算法是将入射光与表面法线向量的点积当作漫反射光照强度因子，下面我们看看环境光照与漫射光照共同作用的算法:

Inputs:

LCol – 照射在表面上的漫射光

Pos – 表面上被照射的位置

LPos – 漫射光源的位置

N -表面上被照射的位置处的法向量

Col –物体原表面颜色

AmbAmount -场景中环境光的强弱程度 (0 to 1)

Outputs:

SurfaceColor -环境光照与漫射光照共同作用之后的表面颜色

VectorToLight = Normalise(LPos - Pos);

DiffuseFactor = Dot(VectorToLight, Normal); //DiffuseFactor ranges
from 0 to 1

//光线与表面法线夹角大于90度，想像下光线在表面背面射过来，正表面肯定没有光照

if(DiffuseFactor
< 0)

then DiffuseFactor = 0;

//环境光照与漫射光照共同作用

SurfaceColor = Col*AmbAmount + Col*DiffuseFactor*LCol;

环境光与漫射光共同作用效果

Specular Highlights镜面高光

现在我们考虑物体表面有光泽的效果，这种效果是将Phong反射模型，结合前面两个光照作用而成。这中光照效果计算需要知道观察者在场景中的位置，而先前的环境光照与漫射光照效果计算都与观察者所在位置无关的。

这种光照计算是这样的，首先我们计算入射光在表面处的反射光线，然后再将反射光线与视线（观察者的眼睛与表面观察点的连线）之间的点积值当作反射到观察者眼中的光照强度因子，因为表面上高亮的部分是反射光线反射到观察者眼睛或照相机中较多的地方，这些地方的反射光线与视线之间的夹角非常小，点积值就越大。

Inputs:

ViewPos – 观察者的位置

SpecAmount – 镜面光强弱. (from 0 to about 200)

SpecCol – 镜面光颜色(通常为白色).

LCol – 照射在表面上的漫射光

Pos – 表面上被照射的位置

LPos – 漫射光源的位置

N -表面上被照射的位置处的法向量

Col –物体原表面颜色

AmbAmount -场景中环境光的强弱程度 (0 to 1)

Outputs:

SurfaceColor -环境光照,漫射光照与镜面光共同作用之后的表面颜色

DiffuseFactor = ... //经前两个光照作用得来的颜色

DirectionToViewer = Normalise(ViewPos - Pos);

VectorToLight = Normalise(LPos - Pos);

//计算反射光

ReflectanceRay = 2 * Dot(N, VectorToLight) * N - VectorToLight;

//计算镜面光照因子. 数学公式 SpecFac = (R dot N)^Spec

SpecularFactor = Pow(Dot(ReflectanceRay, DirectionToViewer),
SpecAmount);

//环境光照,漫射光照与镜面光共同作用

SurfaceColor = Col*AmbFactor + Col*DiffuseFactor*LCol +
SpecCol*SpecularFactor;

环境光照,漫射光照与镜面光共同作用

Note：可以在一个场景中使用多个漫射光照与镜面光作用

Fresnel Term 菲涅尔准则

菲涅尔效果是根据观察者的观察表面来调整反射率来实现的。比如你从水面，油漆表面或者丝绸的正上方看，反射光泽的柔和效果基本没有，如果侧着或平着看的话，反射光泽的柔和效果就很明显，这就是菲涅尔效果。我们简单地通过点积操作计算表明法线与视线之间夹角的余弦值，再将这个值加权。对于较平滑表面，加权系数设置在1.0-5.0之间（油漆效果，丝绸等），对于比较凹凸的表面，加权系数设置为8.0或更高（水波，液体等）

Inputs:

ViewPos – 观察者的位置

FresAmount – 边缘或表面的尖锐程度. (油漆丝绸：1，液体： 2-8)

FresCol - frenel 反射光 (通常使用reflection map or 类似的东西).

LCol – 照射在表面上的漫射光

Pos – 表面上被照射的位置

LPos – 漫射光源的位置

N -表面上被照射的位置处的法向量

Col –物体原表面颜色

AmbAmount -场景中环境光的强弱程度 (0 to 1)

Outputs:

SurfaceColor -环境光照,漫射光照与镜面光，菲涅尔反射共同作用之后的表面颜色

DiffuseFactor = ... //环境光照，漫射光照作用得来的颜色

SpecularFactor = ... //镜面高光作用得来的颜色

DirectionToViewer = Normalise(ViewPos - Pos);

//计算fresnel因子.
我们计算视线与表面法向量间夹角的余弦值(在[-1..1]之间)，然后加一，移动到区间[0..2]，然后再加权。

FresnelTerm = Pow(Dot(N, DirectionToViewer)+1, FresAmount);

//确保因子的在正常范围内

if (FresnelTerm > 1)

then FresnelTerm = 1;

//无菲涅尔反射的场合: Ambient light, Diffuse Light and Specular Light

NonReflective = Col*AmbFactor + Col*DiffuseFactor*LCol +
SpecCol*SpecularFactor;

Reflective = FresCol;

//环境光照,漫射光照与镜面光，菲涅尔反射共同作用

SurfaceColor = NonReflective*(1-FresnelTerm) +
Reflective*FresnelTerm;

漫射无菲涅尔反射时效果
漫射有菲涅尔反射时效果

本文来自CSDN博客，转载请标明出处：http://blog.csdn.net/kesalin/archive/2008/03/30/2230774.aspx

将模型导出到Direct3D

（零）序言
你在3ds
max（以下称作max）或Maya（以下称作maya）中为一款游戏制作各种3D模型，你希望自己所做的模型能在一款3D游戏引擎中被活灵活现地显示出来。在那一刻你会感到非常喜悦，因为玩家那充满热情或惊叹的眼神使你感到自己的作品被承认、被赞赏。嗯，这的确值得我们去想象！

不过，先别急着去幻想那些情景啦，因为你在进入梦乡前会有足够的时间来想象这些情景。在此之前，你还是要务实一点，先要为能得到那样的眼神而付出相应程度的努力。

不知你是否清楚这样一个事实（或，我现在需要告诉你这个事实），那就是，你在max或maya中保存的.max或.ma、mb格式的文件是不能直接“放到”引擎中去显示的。一般来说，游戏引擎都不支持这些格式，通常它们会各自定义一些专门的文件格式来存储模型，而只有具有这种格式的文件才能被引擎直接使用。因此，你就需要将max或maya制作的模型导出为那些格式。

要知道一般3D游戏引擎都是基于Direct3D（以下简称D3D）或OpenGL编写的。而由于不同引擎支持的格式各不相同，所以在此很难逐一去讨论。正如文章的标题所示，本文主要讨论如何将模型导出到基于Direct3D编写的应用程序或引擎，再或者更精确地说（如果你了解Direct3D的话）导出到Direct3DX的.X文件格式。本文的首要目的就是让你了解导出一个3D模型的概念和具体做法；其次介绍了一种方法来验证你的模型是否能在D3D游戏中被正确的显示出来；最后指出在max中导出.X格式时会遇到的一个小麻烦及解决方法。

最后，我假设你用的3D建模软件是max或maya，整篇文章都是围绕在这两种软件中进行导出来说明的。并且我进一步假设你使用的是当前主流版本的max或maya，即3ds

max 5.0或Maya 4.0~5.0，如果你使用的是其它软件，或者版本号太旧或太新，则以下内容可能不是太适合于你。

OK，开始吧～！
（一）如何导出？
.X文件格式
.X文件是Direct3D开发包所直接支持的唯一一种3D模型格式，也就是说，如果你是一个程序员，你可以很轻松地写出一个Direct3D程序用于显示.X文件所存储的3D模型。.X文件包含了对于一款3D游戏而言有用的信息，诸如模型中顶点的位置、顶点颜色、材质、UV纹理坐标、动画关键帧等等。另外，.X文件有两种存储方式：文本和二进制，两者在功能和用途上没有任何差别，只是形式不同而已。

安装导出插件

另外，以下内容中的一些插图和说明以max为例。

l
3ds max 5.0
1)
如果max已经启动，则先关闭它。
2)
复制：
XSkinExp.dle
到：
(3ds max所在目录)\plugins\
3)
启动max后，选择菜单：
Customize-> Plug-in Manager...
检查弹出对话框的列表框中是否存在“XSKINEXP.DLE”，并且其Status是否为“loaded”，如下图：

l
Maya 4.0~5.0
1)
如果maya已经启动，则先关闭它。
2)
复制：
xExport.mll
到：
(maya所在目录)\bin\plug-ins\
3)
复制：
bicubicbezierpatches.mel和xfiletranslatoropts.mel
到：
(maya所在目录)\scripts\others\
4)
启动maya后，选择菜单：
Window->Settings/Preferences->Plug-in
Manager...
检查弹出对话框的列表框中是否存在“xExport.mll”，并且是否构选了“loaded”和“auto
load”，如下图：

导出模型
l
3ds max 5.0
1)
选择菜单：
File->Export
在弹出对话框中选择保存类型为“X-File (*.X)”，并指定保存路径和文件名。
2)
然后，可在弹出的导出选项对话框中进行设置，配置好以后按“Go!”按钮，导出选项和解释如下：

各个选项含义如下：

导出选项描述

Text文本

Binary

Binary Compressed二进制

压缩的二进制

Export Patch Data如果存在高次（high-order）表面则将导出patche以替代polygon网格

Include Animation Data是否同时导出动画数据，需要指定动画采样速率（单位：帧/秒）

Looping Animation Data是否循环播放动画

l
Maya 4.0~5.0
1)
选择菜单：
File->Export All…
在弹出对话框中选择保存类型为“xExport (*.*)”，并指定保存路径和文件名。
2)

在文件保存的对话框中，按下左下角的“Options…”按钮后，可在弹出的导出选项对话框中进行设置，配置好以后按“Export”按钮，导出选项和解释如下：

各个选项含义如下：

导出选项描述

File Options选择文本、二进制、压缩的二进制

Tesselation
Options选择高次（high-order）和细分（subdivided）表面，或none为忽略这些表面

Material Options选择是否同时导出材质、是否翻转UV纹理坐标轴、纹理文件路径是采用限定路径，还是不限定路径

Animation Options“Export

Animation”用于选择是否保存动画属性。如果选择保存动画属性和“per-frame”后可以通过“Frame

Step”或拖动条来设置采样率；默认值是1，表示1:1的关系。该值与Maya的当前回放（playback）速度有关。

Skinning Options“Export

Skinning”允许你选择是否保存网格中skinning信息。如果没有选择该选项，则网格不能自我变形（deform），但如果网格继承于带有动画的层级的话，则它只可以在空间中移动。

观察导出结果
1)
确认已安装了DirectX 9.0运行库（如果这个链接已失效，请点击这里来寻找最新的DirectX）。
2)
运行Mesh Viewer，选择菜单：
File->Open Mesh File
选择相应的.X文件
1)

你可尝试通过鼠标左、中、右键来旋转、缩放、移动地观察模型；你还可以选择显示法线、是否剔除（Culling）背面、以何种方式（点、线框、面）来显示模型等，以此来查看模型是否正确。

如果在Mesh
Viewer中一切显示正常，那么在基于Direct3D的程序中，一切也会表现良好。如果有些面没有正常显示或导出时就失败了，则说明你的模型存在一些问题，需要进一步检查一下模型，看看法线是否正确、多边形的边是否合拢、是否存在缝隙等。在max中进行导出时你会遇到一个小问题，你在导出前多做一件事情来解决这个问题。继续前进，来让我们看一下在max中导出时发生了什么“怪”事情。

（二）max的导出问题
起因
如果你以为将max制作的模型导出到.X文件后会有一样的外观的话，那你可把世事想得过于完美了。你至少会发现一个非常明显的错误，那就是：模型被关于XY平面作了镜像，譬如拿XY平面比作一面镜子，你在Direct3D中看到的将是那个在镜子中的模型（注意，我在这里没有提及maya，那是因为maya的导出插件已经处理了这个问题，真要感谢编写那个插件的那位作者！）。

以一个max模型（该模型系杨·为一同志所做，感谢他提供这个模型，正因为在导出这个模型时显露出来的错误使我更深入地研究了本文所涉及的主题J）为例，它显示出来导出前后模型的变换，导出前我们通过XY平面看到了狮子的背面，而导出后通过XY平面看到的却是狮子的腹部。如果想象原来的狮子站在一面镜子上，那么导出的就好比是那个镜子中的狮子。

（左图：在max中的模型；右图：导出后在Mesh Viewer中的模型）

好，现在你应该活动一下筋骨了，来尝试导出一个模型到.X文件吧。我建议你的试验模型最好不要是对称物体，并且具有一点能标识方向的几何体，我在这里提供了一个模型，如果你想偷点懒的话可以直接用它来做这个试验。然后亲身感受一下这个问题。

经过

那是什么原因造成了以上的问题呢？如果你是一个喜欢打破砂锅问到底的人，那这一段正是为你准备的。如果你是一个讲求实效或以“可用即可”作为行事准则的家伙，那么你可以直接跳到“结果”那段，“经过”对于这类人不是最重要的。

max和maya都使用了“右手坐标系”，以你计算机屏幕的左下角为坐标系原点的话，那么右手坐标系中X、Y、Z轴的正方向依次为向右、向上和向外（即指向你），如下左图。而Direct3D默认使用却是“左手坐标系”，与右手坐标系的唯一区别在于Z轴正方向相反，即向内（指向显示器内部）。另外，OpenGL使用的是右手坐标系，所以这些问题在OpenGL编程中不存在，无论你用max还是maya，直接导出原始的顶点数据即可通过OpenGL绘制出来。

（D3D使用的左手坐标系和max、maya、OpenGL使用的右手坐标系）

好了，当你明白这些知识后，让我们来看一下在从max或maya的右手坐标系转换成D3D的左手坐标系的过程中发生了什么。

考虑在使用右手坐标系的max中有一个顶点为(0, 0,
1)，你应该可以想象它是位于Z轴的正方向那段上。当这个顶点被不加修改地以左手坐标系来解释的话，那么它还是位于Z轴的正向段的Z轴，但是绝对位置却发生了变换。那么当构成一个模型的所有顶点都被这样进行转变的话，那么得到的结果就好比是一个物体关于XY轴所构成的平面作了镜像转换。如下图所示：

（左图：建模完成的物体；右图：原来处于右手坐标系中的物体，直接转换到左手坐标系后的情况）

由上右图你可以看到，“镜子中”物体（即转换到左手坐标系后的物体）不是“现实”物体（原右手坐标系中的物体，也就是你建模完得到的物体）的副本，我希望你能明白我在这里所谓“副本”的含义，我指的是可以与原物体完全吻合的另一个物体、另一个复制品。而现在“现实”中物体无论如何旋转或移动是永远都不可能得到“镜子中”物体的，如果你不信可以想象或比划一下，是不是呢？不是吗？是的。J

结果
想知道解决方法吗？或许聪明的你已经知道该怎么做了。我这里有三种解决方法，可能你会更倾向于其中的某一种吧。
l
美工解决（推荐）
众所周知，有一句话曰“负负得正”。既然导出后的结果是原模型的镜像结果，那何不在导出前先对模型作一次镜像呢？两次镜像的结果就是原来的样子。

在用max制作完一个模型准备导出前，做如下步骤：
1)
选中整个模型
2)
完成镜像操作，选择菜单：
Tools->Mirror
在弹出对话框中对于“Mirror Axis”选择“Z”，然后按“OK”按钮
3)
导出

这样做的有两个前提：一、应选中场景中所有的物体来作镜像；二、物体应处于世界坐标系的原点。除非你知道当违反这两个前提时会得到什么结果，并对这样结果有所预期。不然你就应该保证这两点。

另外，你可以想象一下如果没有这两个前提的保证下会发生什么情况。对于不满足前提一来说，某些在max作了镜像的物体能如max中所显示的那样，而某些未作镜像的却在导出后被镜像了；而对于前提二来说，如果物体不处于世界原点，则导出结果的模型本身正确了，但位置却作了关于XY平面的镜像。

这个方法简单有效，不是吗？而且这种解决方法不是发生在游戏运行时刻，可以节省大量的运行时开销。顺便还能让程序员们可以轻松点！想想他们在成堆的代码中已经够可怜了（当然，有的程序员视为享受，天堂和地狱只在一念之间J），饶了他们吧。

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程序解决
你们注定是不平凡的，但同时也注定你们是最辛苦的。因为理论上任何开发相关的事情都可以由你们来完成，只是开发/运行效率存在高低之别而已。

在当前要解决的问题中，可以通过在程序中作一次镜像来完成，概念上与上述的“负负得正”一样。大致思想是：在进行单个导出物体的世界变换之前，先作关于XY平面的镜像（XY平面可以是世界坐标系的，也可以模型局部坐标系的，两者效果是不一样的），如果选择作关于世界坐标系的XY平面的镜像，则还需要将镜像后的结果移回到原来的位置，即按Z轴平移。以下代码演示了关于世界坐标系的一个镜像，然后将对象移回到原来位置。

D3DXMATRIX matWorld;
……
D3DXPLANE plane( 0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f ); // 关于XY平面的镜像
D3DXMATRIX matReflect;
D3DXMatrixReflect( &matReflect,
&plane ); // 构建一个关于XY平面的反射（镜像）矩阵
float fZ = matWorld._43; // 记录下物体的原Z轴位置
D3DXMATRIX matMoveBack;
D3DXMatrixTranslation( &matMoveBack, 0, 0, -2 * fZ
); // 构建移回矩阵
matWorld = matReflect * matMoveBack * matWorld;
pDevice->SetTransform( D3DTS_WORLD,
&matWorld );

这段代码有几处值得进一步优化，但我现在这么写纯粹是出于让你看懂的目的，在你理解之后可作进一步的优化。

这种方法具有更多的灵活性，但你需要为此付出运行时开销。如果你用不到该方法带来的灵活性的话，还是从美工的角度来解决这个问题吧。

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工具解决
就我知道存在一个转换工具――Deep
Exploration（http://www.righthemisphere.com/），可以将诸如max、maya等多种格式的模型文件转换称.X文件，并且它已经处理了这个镜像的问题。该软件使用非常简单，选择相应的源文件，然后将其另存为.X类型的文件即可，在此就不展开讨论了。

可能还有更多工具有待你的发掘，如果找到别忘了告诉我一声。
（三）附录
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建模建议
1)
如果建模软件支持更改坐标系的话，应尽量选择使用左手坐标系来制作将会在D3D用到的模型，由此避免了转换；
2)
建模过程应尽量使物体的头方向朝着Y轴正方向，右方向朝着X轴正方向，前方向朝着Z轴正方向，这样也可以避免程序在运行时对物体模型进行旋转调整；

3)
建模时应尽量使用相同比例的坐标单位，这也可以避免运行时的缩放；
4)
导出模型前检查所有法线朝向是否正确，在max据说所知可以通过加一个XForm来检查。
文章转载自：

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