計算機(jī)圖形學(xué)在游戲領(lǐng)域上的應(yīng)用

1、計算機(jī)圖形學(xué)課程設(shè)計綜述姓 名： 劉景新學(xué) 號：100108010050 專 業(yè)：信息軟件10-1計算機(jī)圖形學(xué)在游戲領(lǐng)域上的應(yīng)用2一.計算機(jī)圖形學(xué)的定義 2二.視頻游戲的歷史3三.圖形學(xué)在游戲中的應(yīng)用41.幾何學(xué)42 動畫53.繪制6四.總結(jié)8計算機(jī)圖形學(xué)在游戲領(lǐng)域上的應(yīng)用計算機(jī)圖形學(xué)(Computer Graphics，簡稱CG)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機(jī)顯示器的柵格形式的科學(xué)。它的研究分為兩部分：一部分研究幾何作圖，包括平面線條作圖和三維立體建模等；另一部分研究圖形表面渲染（Rendering）包括表面色調(diào)、光照、陰影和紋理等表面屬性的研究。目前，計

2、算機(jī)圖形學(xué)的應(yīng)用已深入到真實(shí)感圖形、科學(xué)計算可視化、虛擬環(huán)境、多媒體技術(shù)、計算機(jī)動畫、計算機(jī)輔助工程制圖等領(lǐng)域。綜觀計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)圖形學(xué)的發(fā)展迅速，而且仍在快速的向前發(fā)展。并且已經(jīng)成為一門獨(dú)立的學(xué)科，有著廣泛的發(fā)展前景。一.計算機(jī)圖形學(xué)的定義   計算機(jī)圖形學(xué)：(Computer Graphics。簡稱CG)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機(jī)顯示器的柵格形式的科學(xué)。 計算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容就是研究如何在汁算機(jī)tI表示圖形、以及利用計算機(jī)進(jìn)行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。圖形通常由點(diǎn)、線、面、體等幾何元素和

3、灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為兩類，一類是基于線條信息表示的。如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實(shí)感圖形。 計算機(jī)圖形學(xué)一個主要目的就是要利用計算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實(shí)感圖形。為此，必須建立圖形所描述場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。同時，真實(shí)感圖形計算的結(jié)果是以數(shù)字圖像的方式提供的，計算機(jī)圖形學(xué)也就和圖像處理有著密切的關(guān)系。 計算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，如圖形硬件、圖形標(biāo)準(zhǔn)、圖形交互技術(shù)、光柵圖形生成算法、曲線曲面造型、實(shí)體造型、真實(shí)感圖形計

4、算與顯示算法、非真實(shí)感繪制，以及科學(xué)計算可視化、計算機(jī)動畫、自然景物仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等。二.視頻游戲的歷史 視頻游戲一直以來都是計算機(jī)圖形學(xué)的一個重要應(yīng)用方向，在介紹圖形技術(shù)的具體應(yīng)用前先簡短介紹一下視頻游戲的發(fā)展歷史。1952年劍橋大學(xué)的A.S. Douglas為益智游戲Tic-Tac-Toe在EDSAC（延遲存儲電子自動計算機(jī)）上編寫了一個圖形游戲版本Noughts and Crosses。這是視頻游戲的雛形，游戲畫面用陰極射線管顯示。這個游戲只能實(shí)現(xiàn)圖形的顯示，還不能完全稱為視頻游戲。第一個具有里程碑意義的視頻游戲?yàn)?958年William Higinbotham在Brookhaven國家

5、實(shí)驗(yàn)室的一臺示波器上實(shí)現(xiàn)的雙人網(wǎng)球游戲Tennis for Two。時間到了1962年，第一個面向電腦的視頻游戲Spacewar由Steve Russell在MIT PDP-1上發(fā)明。 早期的視頻游戲都不過是研究人員在實(shí)驗(yàn)室里自娛自樂的產(chǎn)物。直到1971年Nolan Bushnell和Ted Dabney制作了第一臺投幣式的游戲機(jī)，大眾才開始接觸這個新奇的玩意。隨著Pong、Breakout和SpaceInvader等游戲的成功，越來越多的人開始關(guān)注計算機(jī)的娛樂應(yīng)用。個人電腦和游戲機(jī)的普及對此也起了一定的推動作用。早期的游戲背景是不變的，玩家在一個固定的背景中進(jìn)行游戲。雅達(dá)利1978年發(fā)售的體

6、育游戲Football引入了一種新的畫面顯示方式，背景會隨著玩家角色的移動而改變，這種顯示技術(shù)被稱作卷軸。卷軸很快成為了主流技術(shù)，80年代許多成功的游戲如日本任天堂公司的Mario系列都采用的這種技術(shù)。1975年矢量繪圖也由Larry Rosenthal引入到了游戲設(shè)計領(lǐng)域。借助這種技術(shù)，游戲設(shè)計者可以精確地繪制圖形，并且三維線框模型也成為可能。 3D游戲發(fā)端的歷史要早些，第一款3D游戲是1973年在加里福利亞的美國宇航局Ames研究中心的一臺Imlac PDS-1上誕生的，它的創(chuàng)造者是Steve Colley。這款叫Maze War的游戲在接下來的幾十年里有著數(shù)以千計的模仿者。 早期3D游戲

7、使用的是Flat-Shaded圖形學(xué)和簡單的材質(zhì)貼圖。直到1996年，Voodoo公司推出第一塊面向個人電腦的3D圖形加速卡,它的出現(xiàn)使更精細(xì)的3D圖形出現(xiàn)在視頻游戲中成為可能。 視頻游戲的不斷發(fā)展在一定意義上也推動著計算機(jī)圖形學(xué)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)如今，完美的影像效果已成為視頻游戲必不可少的組成部分。三.圖形學(xué)在游戲中的應(yīng)用 盡管有使用純文本界面的游戲，可那畢竟是早期電腦機(jī)能有限下的產(chǎn)物，現(xiàn)如今所有的游戲或多或少地都會有圖形界面。本文這一部分將在一下三個方面對圖形學(xué)的具體應(yīng)用作介紹。1幾何學(xué)：表示和處理曲面的方法。2動畫：表示和操作運(yùn)動的方法。3繪制：生成光影變換的算法。1.幾何學(xué) 幾何學(xué)研究的重

8、點(diǎn)是物體在三維空間內(nèi)用一組離散數(shù)據(jù)集表示的方法。 視頻游戲著成百上千的物體，他們之間的互動是靠著外邊緣的碰撞進(jìn)行的。鑒于此，邊界表示法（boundary representation）是常見的一種表示方法。 邊界里有三個主要部件：面（face），邊（edge），頂點(diǎn)（vertice）。面是表面的一部分，邊是曲線的一部分，頂點(diǎn)代表一個點(diǎn)。邊界表示法不僅可以對于實(shí)體進(jìn)行很好的表示也可以表示非復(fù)合造型（non manifold）。非復(fù)合造型是一條邊由多于兩個面共享的圖形?？墒沁吔绫硎痉ㄓ幸粋€缺點(diǎn)就是不靈活，每一個物體都要重新制作模型，模型數(shù)量多了以后是個相當(dāng)繁重的工作。一種新的表示方法應(yīng)運(yùn)而生CSG

9、（Constructive solid geometry）。CSG使用一些被稱作原始部件（primitives）的基本圖形，對他們進(jìn)行基本的布爾運(yùn)算如交集，并集等生成復(fù)雜的圖形。眾多的游戲引擎如Unreal Engine, Hammer, Torque, Quake等都使用了這項(xiàng)技術(shù)。 由面組成的圖形并不能很好地表現(xiàn)光滑的曲面。人們發(fā)現(xiàn)用一個個的三角形或者四邊形可以近似地表現(xiàn)曲面，于是多邊形網(wǎng)狀表示法（polygon mesh）誕生了。 為了取得更好的光滑表面，同時也為了節(jié)約人力。細(xì)分表面法（subdivision surface）被廣泛使用，這種遞歸的算法可以有比較粗的網(wǎng)狀面計算出較細(xì)的網(wǎng)狀

10、面。 近年來，一種把物體表示為一組點(diǎn)集的point-based1方法開始流行起來。這種建模方式的好處顯而易見，在視頻游戲的動態(tài)計算、碰撞檢測、可見性處理這些需要精確性的領(lǐng)域都可以得到很好的效果。當(dāng)然對于標(biāo)準(zhǔn)矩形的物體還是用以前的方法好。對于樹木，云這些形態(tài)不固定的物體用point-based方法乃上上之選。云霧和樹葉在虛擬的風(fēng)中可以進(jìn)行更加自然的形態(tài)變換。2 動畫動畫的原理是騙過人的眼睛和大腦，使觀看著認(rèn)為自己看到的是連續(xù)的畫面。傳統(tǒng)的方法是以至少每秒12幀的速度放映差別不大的圖片，這種方法比較復(fù)雜，若想表現(xiàn)精細(xì)的畫面十分地困難。3D模型的發(fā)明給了動畫更大的發(fā)展空間。動作捕捉（motion c

11、apture）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 技術(shù)最早是二十世紀(jì)七十年代和八十年代生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室里用來分析照片的，近年來已廣泛應(yīng)用在視頻游戲中。動作捕捉通過記錄運(yùn)動物體的位置、角度、速度、加速度和沖量得到精確的數(shù)字移動。然后把得到的數(shù)據(jù)應(yīng)用于模型骨胳（skeleton），得到精確的移動。動作捕捉技術(shù)主要分為光學(xué)和非光學(xué)兩大類。 系統(tǒng)通過運(yùn)動對象上所設(shè)置的標(biāo)記點(diǎn)（marker）的三角度位移來計算出對象的運(yùn)動范圍。無源標(biāo)記點(diǎn)（passive marker）點(diǎn)通過其表層的反射物質(zhì)反射回攝像頭光來捕捉，攝像頭只對反射光敏感，會忽略人的皮膚和織物。有源標(biāo)記點(diǎn)（active marker）并不反射光，由于其自身的LED可

12、以發(fā)光，通過捕捉其發(fā)射的光進(jìn)行記錄。還有一種半自動細(xì)微標(biāo)記點(diǎn)（semi-passive imperceptible marker）,主要用于自然光源下高速物體的捕捉。非光學(xué)系統(tǒng)主要有三種：通過生物機(jī)械模型和傳感器結(jié)合算法進(jìn)行測量的慣性系統(tǒng)（inertial system）；通過直接跟蹤身體接合處角度變化的機(jī)械系統(tǒng)（mechanical motion）；通過磁通量計算方位的磁力系統(tǒng)（magnetic system）。 主流的捕捉方法還是光學(xué)形式，現(xiàn)今流行的游戲中都可以找到動作捕捉技術(shù)的身影。物理仿真（phisical simulation）是動畫領(lǐng)域近年來研究的重點(diǎn)，由于其屬于物理方面，本文就不

13、做介紹了。3.繪制 頻游戲之中最重要的部分也是最復(fù)雜的部分，相關(guān)技術(shù)層出不窮。簡單地說，繪制是把模型生成圖像的過程，生成的圖像帶有幾何學(xué)、視點(diǎn)（viewpoint）、材質(zhì)（texture）、光照（lighting）、陰影（shading）的信息。在視頻游戲中有兩種繪制方法：事先繪制（pre-rendering）和實(shí)時(real time)。事先繪制的圖像一般用于游戲場景等不會改變的模型上，實(shí)時方法用的較為普遍，大多數(shù)游戲都采用這種方法。下面依次對繪制各個方面相關(guān)的技術(shù)做下介紹。1.陰影；不同，多了一個維度讓觀察者有了立體的感覺?，F(xiàn)實(shí)世界中物體與光源的角度，距離的不同會有不同的明暗變化，陰影技術(shù)

14、就是為了體現(xiàn)這種變化而產(chǎn)生的。早期陰影技術(shù)采用的是平面方法（flat shading），這種方法對每個多邊形進(jìn)行漸變處理，可以很快速地得到圖像?？呻S著硬件的發(fā)展，平面法的速度優(yōu)勢已蕩然無存，更好的圖像效果才是追求的目標(biāo)。以發(fā)明者Henni Gouraud 命名的Gouraud shading 2方法和 Bui Tuong Phong 命名的Phong shading 3方法成為主流的方法。2.材質(zhì)貼圖；予模型更加精細(xì)的表面，就像是給一個白色的盒子包上五顏六色的包裝紙一樣。 層材質(zhì)并不能很好地完成任務(wù)。這時便需要多層材質(zhì)（multitexture），多層材質(zhì)最廣泛的應(yīng)用是凸凹貼圖（bump ma

15、pping4），通過這種方法?？梢院苋菀椎氐玫酱植诒砻娴囊曈X效果，Playstation、Xbox和大多數(shù)PC顯卡都支持這項(xiàng)技術(shù)。計算幾層材質(zhì)疊加后最后屏幕顯示的像素的算法有很多，如最接近原則插值（Nearest Neighbor Interpolation），雙線性插值（Bilinear Interpolation），三次插值（Trilinear Interpolation）。其中最接近原則插值最快，但后兩個算法使用最為普遍。由于硬件把多邊形分成一個個三角形進(jìn)行繪制，所以確保不同視角下貼圖的正確性十分必要。視頻游戲運(yùn)用不同的方法來避免錯誤。如Doom使用限制游戲世界的物體都為水平或者垂直，避

16、免斜面的方法；Quake犧牲性能用一種折中的方法每過一定像素計算一次透視的正確性。3.霧；擬出來的霧可以很好的表示物體距離觀察者的遠(yuǎn)近程度。由于光的散射，距離遠(yuǎn)的物體會變得朦朧。這種吸引人的效果在游戲中應(yīng)用地十分廣泛。 4.影子：在視頻游戲的世界中如何生成更好的影子一直是研究的一個熱點(diǎn)。最流行的做法主要有兩種：影子貼圖（shadow mapping）和陰影錐(shadow volume)。影子貼圖的原理是以光源的視角出發(fā)，用可視表面的深度創(chuàng)建shadow map，渲染畫面時把每個點(diǎn)都與shadow map進(jìn)行比較，繪制出帶有影子的圖像。這種方法的缺點(diǎn)是在實(shí)時繪制的時候不如陰影錐5精確。提到陰影

17、錐就不得不提到id Software的游戲Doom3，該游戲采用了這種方法并取得了不小的成功而使之廣為流行起來的，由于游戲設(shè)計者John Carmack的影響力，這種方法又被稱為Carmacks Reverse。陰影錐的原理是通過光源和遮擋物的位置關(guān)系計算出會產(chǎn)生陰影的區(qū)域，然后對所有物體進(jìn)行檢測，確定其受否受到了陰影的影響。這種實(shí)現(xiàn)方法雖然較好也有其不足之處，對處理器的依賴較為嚴(yán)重。 6.球星照明：個錐形的標(biāo)準(zhǔn)光源，大多數(shù)都是把光發(fā)射到四面八方的。球形照明便是一組實(shí)現(xiàn)這種真實(shí)光源算法的集合。常用的算法有：radiosity，ray tracing，beam tracing，cone trac

18、ing，path tracing，metropolis light transport，ambient occlusion，photon mapping和image based lighting。7.非現(xiàn)實(shí)繪制：n-photorealistic rendering，簡稱NPR）是為了拓展圖像表現(xiàn)的多樣性，采用各種各樣的技術(shù)使圖像顯示出與現(xiàn)實(shí)生活不相同的特性。最常見的一種NPR技術(shù)是被稱作卡通渲染的cel-shading或 toon shading的技術(shù)。這種技術(shù)通常用來模仿漫畫或者卡通中的平面風(fēng)格，它通過在繪制中只選擇物體色彩的少數(shù)深淺變化來使模型表現(xiàn)出平面化的視覺效果。第一個使用這種技術(shù)的3D游戲是Jet Set Radio (2000)，之后游戲業(yè)界漸漸開始關(guān)注這種新技術(shù)對游戲表現(xiàn)形式的擴(kuò)充，越來越多的作品采用了toon