先說個題外話, 本來我想解答一下最近Creators Club論壇上經常出現的一個問題, 意外的是在網上竟然找不到什么全面的答案..
這是個有著復雜答案的簡單問題:
“為什么我的透明物體的繪制順序不對, 或者有些不見了?”
當繪制一個3D場景時, 對圖形進行深度排序是非常重要的, 這樣離鏡頭近才畫在遠處物體的前面. 我們不會希望看到遠處的山把近在眼前的建筑給擋住了!
如今有三種深度排序方法得到了廣泛的應用:
- 深度緩沖 (也叫做 z-buffering)
- 油畫家算法
- 背面剔除
不幸的是, 每種都有其局限性. 為了達到好的結果, 大多數游戲是把三種方法結合起來使用的.
深度緩沖
深度緩沖簡單而有效, 結果也很完美. 但是對于透明的物體它就無能為力了!
這是因為深度緩沖只記錄了當前已經繪制的最近像素. 對于不透明的物體, 這已經能夠滿足我們的需要了. 看一下這個繪制兩個三角形的例子, A和B:
如果我們先畫B再畫A, 深度緩沖會看到新的像素(A的)比之前的(B的)要近, 那么它就畫在了前面. 如果我們用相反的順序畫(先A后B), 深度緩沖會看到B的像素比之前A已經畫的要遠, 所以就把它們給丟棄掉了. 無論哪種情況我們都會得到正確的結果: A在前面, B隱藏在后面.
但是當這些幾何圖形是透明的, 即B透過A是部分可見的時會怎樣呢? 如果我們先畫B再畫A的話是沒有問題的, 但反過來就不行了. 在這種情況下, 深度緩沖會從B取一個像素, 同時注意到已經繪制了一個更近的像素(A的), 然后它就沒轍了! 唯一的選擇是繪制B(這會得到一個錯誤的結果, B會畫在A前面, 但A的alpha 混合卻沒有起作用), 或者完全拋棄B. 不爽!
結論
深度緩沖對于不透明的物體是很完美的, 但對于透明的物體卻不實用.
油畫家算法
深度緩沖沒法應付以錯誤的順序來繪制透明物體的情況, 這很好解決, 對吧? 保證它們按正確的順序繪制就可以了! 如果對場景中的所有物體進行排序, 那我們就可以先畫遠處的, 再畫近處的, 這樣就可以確保前面例子中的B可以在A之前繪制.
不幸的是, 這說起來容易做起來難. 對物體進行排序在很多情況下并不適用, 如A和B相交的情況該怎么辦?
如果A是個玻璃杯而B是它里面的一個玻璃球時就是這樣. 現在我們就沒法對它們進行排序了, 因為A的一部分比B近, 而另一部分又比B遠.
甚至我們不需要兩個不同的物體來復現這個問題. 組成玻璃杯的那些三角形會怎樣? 要讓它們顯示正確, 需要在前面的繪制之前先繪制后面的. 所以, 只對物體進行排序是不夠的: 我們要對每一個三角形進行排序.
問題是, 對每個三角形進行排序的代價太大! 就算我們能夠承受, 這也不是在所有的場合下都能得到正確的結果的. 比如說兩個透明的三角形相交時會怎樣呢?
沒有方法對這樣的三角形進行排序, 因為我們需要把B的上半部分畫在A的前面, A的下半部分畫在B的前面. 唯一的解決方案就是把三角形從相交處分割開來, 但是這樣的消耗是不可承受的.
結論
油畫家算法需要你在選擇排序的粒度好好權衡一下. 如果你僅僅對一些大的的物體進行排序, 速度很快但不是很精確; 如果你對一些小物體進行排序(包括三角形個體的極限情況), 速度會慢一些, 但更加精確.
背面剔除
一般不把背面剔除當成是一種排序技術, 但它確實是一種重要的方法. 它的局限性就是只適用于凸面體.
考慮一下一個簡單的凸面體, 如一個球體或立方體. 無論你從哪個角度看, 每個屏幕上的像素都會被覆蓋兩遍: 一次是物體的前面, 一次是后面. 如果你用背面剔除丟棄了背面的三角形, 那就只剩前面了. 哈哈, 如果每個屏幕上的像素只進行一次判斷, 那你就自動得到了一個完美的混合結果, 沒有必要排序任何東西.
當然, 大多數的游戲不會只畫球體或立方體J 所以只是背面剔除的話不是一個妥善的解決方案.
結論
背面剔除對于凸面體是完美的, 但是對于其它的就無能為力了.
我該怎樣讓我的游戲看起來更好一些?
最常用的方法:
- 設置DepthBufferEnable 和DepthBufferWriteEnable 為true
- 繪制所有的不透明物體
- 保持DepthBufferEnable 為true, 但是設置DepthBufferWriteEnable為false
- 對alpha混合的物體按照與攝像機的距離進行排序, 然后從后到前畫出來
這依賴于三種排序技術的結合
不透明的物體按深度緩沖排序
透明物體和不透明物體仍然會被深度緩沖處理(所以你永遠不會通過一個不透明物體看到一個透明的)
油畫家算法對透明的物體排序(兩個透明物體相交時仍然會有排序錯誤)
依賴背面剔除來對單個透明物體上的三角形排序(如果物體不是凸面體也會產生錯誤)
結果并不是非常完美, 但是非常高效, 易于實現, 對于大多數游戲來說也夠用了.
當然還可以采取一些措施來改進排序的精確度:
避免alpha混合! 你的不透明物體越多, 排序就越容易, 也越精確. 仔細思考一下, 真得每個地方都需要alpha混合嗎? 如果關卡設計師要在玻璃窗上再加一層, 那你應該考慮把設計改成更易于實現的方案. 如果你正使用alpha混合來繪制樹木之類的圖形, 那考慮用alpha測試來代替它, 只分完全透明和完全不透明這兩種情況, 這樣不透明的地方仍然可以通過深度緩沖來排序.
放松, 不用擔心. 可能排序錯誤并不是很嚴重呢? 你可以試著調整一下你的圖形(讓alpha通道更加柔和, 更加透明一些) 來讓這個錯誤看起來沒有那么顯眼. 這個方法用在了我們的 Particle 3D sample中, 它并不會對單獨一個煙霧中的粒子進行排序, 而是選擇了一個合適的粒子紋理讓它看起來是好的. 如果你把煙霧的紋理換成更加不透明的, 那排序錯誤可能就比較容易覺察了.
如果你有透明物體不是凸面體, 或許你可以嘗試讓它們更加”凸”一些? 就算它們不是完全地凸面體, 那它們越”凸”, 排序錯誤就越少. 還有就是考慮把復雜的模型分成多塊, 這樣它們就可以分開進行排序. 一個人體看起來一點也不像凸面體, 但你把它分成頭, 胳膊, 驅干等幾部分后, 每一塊都接近凸面體了.
如果你有部分區域透明的紋理(如樹葉), 并且圖案邊緣包含了一些半透明的像素用于反走樣, 那你可以使用雙pass渲染技術:
Pass 1: 繪制不透明部分: alpha混合關閉, alpha測試只接受100%不透明的區域, 深度緩沖開啟
Pass 2: 繪制邊緣: alpha混合開啟, alpha測試設置只接受alpha<1的, 深度緩沖開啟, 深度寫入關閉
以 每個物體渲染兩次的代價, 為紋理中間完全不透明的部分提供了100%正確的深度緩沖排序, 和相對精確的半透明邊緣排序. 這個方法為紋理裁剪的邊緣進行了一些反走樣, 同時也保證了不用對每一棵樹或者草葉進行額外的排序. 在我們的 Billboard sample 中使用了這個技巧: 請閱讀一下Billboard.fx中的pass和注釋.
使用 z prepass. 當你需要淡出一個原來不透明的物體又不想透過它看到的是它自己的另一部分時, 這是一個好方法. 例如從右邊看一個人類的身體. 如果它是玻璃做的, 你應該會希望透過右手臂看到軀干和左手臂. 但如果它是實心的(不透明)你會希望透過右手臂看到后面的背景, 而不應該是軀干和左手臂. 要達到這個目標需要這樣做:
設置 ColorWriteChannels=None, 開啟深度緩沖
繪制物體到深度緩沖(不影響顏色緩沖)
設置ColorWriteChannels=All, DepthBufferFunction=Equal, 開啟alpha混合
再次繪制這個物體, 這樣就只有最近的這一面與顏色緩沖進行混合了
Published Wednesday, February 18, 2009 1:47 PM by ShawnHargreaves