曲面细分是神马?3D游戏特效全解析
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【天极网DIY硬件频道】PC游戏自诞生至今已经经历了几十年的发展,从诸如简陋的点阵式构图已经进化为媲美电影级的画质的DX11画面,我们陶醉在美轮美奂的3D游戏世界中,不得不感叹图形显示技术这么多年的飞速进步。
最初的PC游戏
如今的PC游戏
不过对于经常玩游戏的玩家来说,可能我们发现游戏的画面越来越绚,特效越来越多,同时游戏的设置也越来越繁杂,尤其是英文原版游戏中那多大十几项的画质调节选项足以令我们头疼,如果显卡性能够强,则完全特效全开不必担心流畅问题,但并不是每个人都用的起诸如GTX580这样的旗舰级显卡,由于对图形特效不熟悉,除了抗锯齿及异向过滤这样的常见选项外,对诸如Motion Blur,HDR这样的特效并不熟悉,导致在画质调节方面不能取得自己满意的效果,下面就让小编为大家解析一下常见的一些游戏特效:
动态模糊(Motion Blur)
动态模糊的概念,也叫“动态模糊技术”,或者“运动模糊技术”, 是静态场景或一系列的图片像电影或是动画中快速移动的物体造成明显的模糊拖动痕迹。动态模糊来源于电影摄影,后来发展到游戏CG动画和部分游戏实际画面的计算上。 运用的最多的游戏一般都是动作游戏,或者ARPG游戏,或者赛车游戏。运动模糊是景物图象中的移动效果。它比较明显地出现在长时间暴光或场景内的物体快速移动的情形里。
极品飞车系列喜欢使用Motion Blur来表现速度感
摄影机的工作原理是在很短的时间里把场景在胶片上暴光。场景中的光线投射在胶片上,引起化学反应,最终产生图片。这就是暴光。如果在暴光的过程中,场景发生变化,则就会产生模糊的画面。 不难发现,在电影或电视中,运动模糊是经常出现的,甚至于你不会注意到它。
类似地,即时电脑动画中准确地显示瞬时的画面(像是一台有无限快快门的相机),而没有动态模糊。因此每秒25-30张画面的电玩游戏看起来断断续续不自然,而用相同画面更新率拍摄自然动作看起来却是连续的。很多新世代电玩游戏以动态模糊为特色,尤其是赛车模拟游戏。预先运算生成的电脑图像中,如电脑合成影像CGI的电影,可以绘出逼真的动态模糊,因为渲染器(renderer)有更多时间来绘制每个画面。时间上避免失真需依照许多瞬间时间的组合来制造画面。
景深(Depth Of Field)
景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿着能够取得清晰图像的成像器轴线所测定的物体距离范围。
光轴平行的光线射入凸透镜时,理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后,再以锥状的扩散开来,这个聚集所有光线的一点,就叫做焦点。在焦点前后,光线开始聚集和扩散,点的影像变成模糊的,形成一个扩大的圆,这个圆就叫做弥散圆。
在焦点前后各有一个容许弥散圆,这两个弥散圆之间的距离就叫景深,即:在被摄主体(对焦点)前后,其影像仍然有一段清晰范围的,就是景深。换言之,被摄体的前后纵深,呈现在底片面的影象模糊度,都在容许弥散圆的限定范围内。
游戏为了达到拟真的效果,自然也将景深的概念引入到其中。然而问题是由于3D游戏只是将图像投影在了平面显示器上,故而本身不会有景深效果,因此为使得游戏画面产生景深效果则必须在图像输出之前对其做预处理,把焦点之外的远景全部虚化处理。FPS比较喜欢使用景深效果,但一般只限在瞄准模式或特殊的观察模式下,你的准心根据所瞄准的位置深度,自动获取对焦点,你会发现对焦点之外的其他层次深度的环境都会变模糊。
高动态光照(HDR)
HDR的全称是High Dynamic Range,即高动态范围,比如所谓的高动态范围图象(HDRI)或者高动态范围渲染(HDRR)。动态范围是指信号最高和最低值的相对比值。目前的16位整型格式使用从“0”(黑)到“1”(白)的颜色值,但是不允许所谓的“过范围”值,比如说金属表面比白色还要白的高光处的颜色值。
现实中,当人由黑暗地方走到光亮地方,眼睛会自动眯起来。人在黑暗的地方,为了看清楚物件,瞳孔会很大张开,以吸收更多光线。当突然走到光亮地方,瞳孔来不及收缩,所以唯有眯上眼睛,保护视网膜上的视神经。
HDR是电脑图形学中的渲染方法之一,可令立体场景更加逼真,大幅提升游戏的真实感。但电脑是死物,唯有靠HDR技术模拟这效果——人眼自动适应光线变化的能力。方法是快速将光线渲染得非常光亮,然后将亮度逐渐降低。
在HDR的帮助下,我们可以使用超出普通范围的颜色值,因而能渲染出更加真实的3D场景。也许我们都有过这样的体验:开车经过一条黑暗的隧道,而出口是耀眼的阳光,由于亮度的巨大反差,我们可能会突然眼前一片白光看不清周围的东西了,HDR在这样的场景就能大展身手了。
Volumetric Light(体积光)
游戏中,遮光物体被光源照射时,在其周围呈现的光的方式性泄露,称其为体积光。例如太阳照到树上,会从树叶的缝隙中透过形成光柱。之所以称之为体积光,是因为这种特效下的光照相比以往游戏中的光照给人视觉上以空间的感觉。
体积云/体积雾(Volumetric Clouds/Fog)
在游戏中的体积云/雾效果就是使用图像引擎来模拟云雾半透明、无规则的表现效果。在早期游戏中,实现云雾烟火效果的惯用手法是使用贴图,而在《Crysis》中有自己的体积,雾和云是真实的存在,而非简单的贴图。进入其中有明显的层次感,游戏中甚至有一个关卡专门用来展示该效果。
欧美业界的观点是:通过3D引擎实时生成的、能够随时间流逝而自动改变的、能够和物力引擎互动产生变化的(比如飞机飞过云雾散开),才能称为体积云/体积雾。像《孤岛危机》和《冲突世界》这样的游戏均大量运用了体积云/体积雾的特效。
软阴影(Soft Shadow)
在生活中,光与影是不可分离的两者,而在游戏中,为了表现更加真实的游戏效果,阴影成为不可缺少的元素,Soft Shadow从字面上直译过来就是“软阴影”,我们知道生活中很多阴影的过渡都是有渐变,而软阴影的作用就是要模拟这种效果,在阴影周边制造虚化的效果。
一般在游戏中采用的阴影生成方法有两种:Shadow Mapping(阴影映射)和Shadow Volumes(体积阴影)。
Shadow Mapping(阴影映射)是一种图像空间的技术,它是在以光源位置作为视点的情况下渲染整个场景的深度信息,然后再使用这些深度信息去决定场景的哪一部分是处于阴影之中。它有锯齿并且依赖z-缓冲技术。由于可以在不减少帧率的情况下达到真实感光照和阴影效果,编辑器允许在场景中放置任意数目的静态光源,它会为每个面预计算光流量(light flow)和静态阴影,因此现代商业3D游戏中多数都会使用到阴影映射。阴影映射效果的一个影响因素是Shadow Map Size,如果size(尺寸)小,会导致阴影边缘模糊不清、闪烁、出现大型锯齿。增大size能提高阴影质量,但帧速会受到影响。
对于在阴影映射下实现软阴影,通常是在阴影边界进行高精度超级采样的方法,如虚幻3引擎就是进行16X的超级采样,这就是软阴影消耗系统资源大的原因。
游戏中的体积阴影特效
Shadow Volumes(体积阴影)是一种基于几何形体的技术,它需要几何体在一定方向的灯光下的轮廓去产生一个封闭的容积,然后通过光线的投射就可以决定场景的阴影部分(常常使用模板缓冲去模拟光线的投射)。这项技术是像素精确的,不会产生任何的锯齿现象,但是与其他的技术一样,它也有缺点。最主要的两个问题一是极度依赖几何形体,二是需要非常高的填充率。同时,体积阴影也相当依赖CPU,视觉效果方面是产生的阴影比较“硬”。
目前使用体积阴影的游戏不多,《DOOM3》和《F.E.A.R.》就是典型,在游戏中仔细观察你会发现它们的阴影和其他游戏的明显不同。
曲面细分(Tessellation)
Tessellation相信是大家最熟悉的的特效,Tessellation(曲面细分性能)是DirectX 11的最关键技术,GPU厂商一直强调Tessellation性能决定着DX11显卡性能的强弱,Tessellation能够将普通的几何模型重新拆分,将每个平面(实际上是三角形)重新细分为更多的平面,让物体看起来更加细致,更加接近现实当中的效果。
Tessellation(曲面细分性能)是DirectX 11的最关键技术,也给我们带来的最直观的视觉体验,NVIDIA和AMD两家GPU厂商一直强调Tessellation性能决定着DX11显卡性能的强弱,并以此为借口攻击对方。这种竞争直至性能更全面的DX11二代显卡上市才有所收敛。
Tessellation带来明显画质提升
Tessellation能够将普通的几何模型重新拆分,将每个平面(实际上是三角形)重新细分为更多的平面,让物体看起来更加细致,更加接近现实当中的效果。Tessellation技术的加入能够大幅降低CPU资源,同时还能够让图像质量得到大幅提升。
从著名的DX11测试软件Heaven Benchmark的对比我们可以发现,随着Tessellation级别的提升,画面上可以很直观的感觉到画面变得更加丰满、立体和凹凸有致。
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