淺談虛擬演播技術(shù)中的真實性表現(xiàn)

淺談虛擬演播技術(shù)中的真實性表現(xiàn)

一、對光效圖進(jìn)行梳理與描述在影子成像技術(shù)所表達(dá)的幾乎真實的虛擬場景之后，使用復(fù)雜的光度學(xué)，如曼特爾、羅伯特和羅伯特。采用光線跟蹤、全球光度成像和光能映射等復(fù)雜光度學(xué)算法。獲得真實的單幅后，后期合成，生產(chǎn)期長。虛擬演播室系統(tǒng)所使用的渲染引擎為達(dá)到實時渲染的幀頻,顯然無法使用影視制作這樣的離線渲染方式。只能采用簡單光照模型,且無法使用各種離線算法,使得虛擬演播室場景在效果上打了折扣?；趯崟r渲染引擎的特點,比較常見的光感表現(xiàn)方法有兩種。一是使用光效貼圖來模擬光效,常用的是使用帶通道的光效圖,利用虛擬引擎的時間線制作紋理動畫來模擬流光效果,這種方法比較簡單通用,效果取決于對光效圖的整體把握。效果相對更好的方法是采用環(huán)境貼圖,圖1是ORAD虛擬演播系統(tǒng)采用環(huán)境貼圖的實例?？梢?通過簡單的環(huán)境貼圖設(shè)置,可以很好地模擬反射的光照效果。但需要注意的是,雖然做法類似,這里環(huán)境貼圖的和Mentalray等離線渲染器做HDR渲染還是不一樣的。虛擬演播系統(tǒng)的實時渲染引擎只是將環(huán)境貼圖做UV變形后與物體原紋理相混合(加性處理),而不是真正計算了光照反射。表現(xiàn)光感的另一種基本方法是“烘焙(bake/rendertotexture)”。一個虛擬場景的實際渲染效果,一方面取決于其本身的材質(zhì)貼圖,另一方面光照陰影也至關(guān)重要。虛擬演播系統(tǒng)的實時渲染引擎只能正確渲染場景物體的位置和材質(zhì)信息,對于離線建模軟件設(shè)置的光照等渲染屬性不做處理,導(dǎo)致了場景最終與離線渲染的設(shè)計效果相差甚遠(yuǎn)?！昂姹骸奔词墙鉀Q此問題的一個基本方法,通過3dsMax、Maya中對渲染單元的設(shè)置,將場景中的光影信息離線渲染至場景物體的紋理材質(zhì)上,使場景在導(dǎo)入虛擬演播系統(tǒng)時,除其本身的紋理材質(zhì)外,將整個場景的光影效果一起攜帶,這樣,實時渲染的虛擬場景,能夠近似達(dá)到原先的設(shè)計效果。然而,各離線渲染器對于烘焙這一技術(shù)的支持度不盡相同,且大多數(shù)只支持簡單光照模型下的掃描線算法(scanline),這使得光能映射、光線追蹤、散焦這些離線渲染的利器無法使用,效果也只能算是中規(guī)中矩,光感豐富但真實感依然欠佳。通過對Vray渲染器相關(guān)功能的一些摸索,筆者發(fā)現(xiàn)Vray的一些設(shè)置可以用于烘焙技術(shù),下面是Vray渲染的效果圖和烘焙后實時渲染引擎中的渲染效果(測試場景取自EvermotionArchInterior資源)。圖4中可以看到,即使事先計算了40M的光子圖(photonmap),Vray渲染器依然用了5分多鐘來渲染單幀,說明離線渲染算法是不可能用于實時渲染引擎的。另一方面,烘焙后場景在虛擬演播系統(tǒng)中的表現(xiàn)與Vray效果圖幾無區(qū)別,這證明了通過細(xì)致調(diào)節(jié)渲染參數(shù),利用烘焙技術(shù)完全可以產(chǎn)生足夠真實的虛擬場景。二、實時染化技術(shù)光效貼圖和紋理烘焙兩種方法結(jié)合使用,可以解決很大一部分虛擬演播室場景設(shè)計上的問題,而且處理手段都不復(fù)雜。然而,我們還是要追求有關(guān)光感、有關(guān)光線折反射更深入的解決方案。事實上,實時渲染(realtime-rendering)作為計算機(jī)圖形學(xué)的一個重要分支,從上世紀(jì)70年代末開始得到了一次又一次的技術(shù)推進(jìn),隨著近年來算法的演進(jìn)和硬件的增強(qiáng),在場景漫游、游戲設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)成為難以撼動的基石。本質(zhì)上說,虛擬演播系統(tǒng)的渲染引擎和三維游戲的圖形引擎并無不同,因此,金屬的反射、水晶的折射這些復(fù)雜效果應(yīng)該完全可以用實時渲染引擎自己的特性來表現(xiàn)。我們不妨借鑒其他領(lǐng)域,看看同為實時渲染,別的引擎上使用了怎樣的技術(shù)。Cryengine2是Crytek開發(fā)的游戲引擎,極具真實感的圖形部分使其被廣為稱贊,圖6中水面的倒影栩栩如生,令人嘆服。實時渲染引擎能夠達(dá)到如此逼真的效果,得益于GPU技術(shù)的發(fā)展。GPU和CPU的分離,使有關(guān)圖形處理的運(yùn)算從CPU中解放出來,從架構(gòu)上提升了系統(tǒng)處理圖形的能力,形成了如下的流水線模型(摘自NVIDIA官方手冊)。從頂點變換到光柵化操做,這樣的流水線按部就班地完成了傳統(tǒng)圖形處理的全過程。雖然性能提高了,但效果上卻沒有改進(jìn)。為了進(jìn)一步為實時渲染提供效果上的提升,可編程渲染管線被提出,在原先頂點處理階段和像素處理階段加入了片段程序以介入渲染過程,改進(jìn)后的流水線如圖8所示。相應(yīng)的,用于片段程序的描述語言被開發(fā)出來,稱為ShadingLanguage,如微軟的HLSL、OpenGLARB的GLSL,以及NViadia的Cg(Cforgraphics)。下面以實時渲染環(huán)境下的反射模擬來說明這樣一種光感表現(xiàn)方式。GPU運(yùn)算下的環(huán)境貼圖算法(EnvironmentMapping)如圖9所示。根據(jù)入射角度和物體表面法線方向,計算出反射光線,將其投射至作為環(huán)境的貼圖上,查詢相應(yīng)的像素值,與物體表面的像素值按反射率進(jìn)行混合,算法和部分代碼如圖10所示(開發(fā)環(huán)境MicrosoftVisualC++2008)。同時,渲染引擎根據(jù)物體位置動態(tài)生成環(huán)境貼圖(cubemap),用這種方法可以生成場景中的實時動態(tài)反射。圖11是在OGRE渲染引擎中,對上述想法的簡略實現(xiàn),圖12是使用烘焙技術(shù)制作的反射效果?？梢钥闯?烘焙方式產(chǎn)生更為柔和的反射效果,但是當(dāng)物體位置發(fā)生改變之后,其表面的光影信息由于固化在物體的材質(zhì)貼圖中,不會發(fā)生相應(yīng)的改變。而GPU編程實現(xiàn)的反射則可以根據(jù)物體的位置角度、甚至反射率做相應(yīng)變化,相比之下更為真實。三、虛擬場景的表現(xiàn)問題雖然對于虛擬演播系統(tǒng)的表現(xiàn)效果有多種評價方式,然而大家對于真實感總有永無止境的追求。至此,本文介紹了包括光效貼圖、烘焙貼圖以及GPU編程多種增強(qiáng)實時渲染環(huán)境下虛擬場景光感的手段,希望能夠為虛擬演播室效果的提升提供一些思路。必須說明的是,GPU編程的實現(xiàn)方式相比前兩種復(fù)雜得多,且對于目前虛擬演播系統(tǒng)的實時渲染引擎,能否支持GPU程序還有待考察,相關(guān)的接口也許還需要開發(fā)。然而,在保持操控性的同時,堅持跟上實時渲染的技術(shù)進(jìn)步,應(yīng)當(dāng)是虛擬演播技術(shù)的一個發(fā)展趨勢。因此,掌握更多更新的制作手段,以不斷提高場景的真實感和表現(xiàn)力,也應(yīng)當(dāng)是我們努力的目標(biāo)。近年來,隨著色鍵處理技術(shù)的進(jìn)步,攝像機(jī)跟蹤定位技術(shù)的成熟,以及計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展,虛擬演播技術(shù)得到了更多更廣泛的實踐。電視節(jié)目也得以在相對低廉的制作成