摘 要：随着科技的进步，3D实时渲染越来越走近每一个人，而人们对于该项技术的运用也随之增加，除了电子游戏以外，3D实时渲染技术普遍应用于医疗、工业、科研等领域。近年来兴起的3D打印和虚拟现实更是把3D实时渲染作为基石而快速成长。3D实时渲染技术一直以来存在几个重大难题，快速处理大量法光源就是其中之一。现实中，因为有光，人们才能观察到这个世界。在3D实时渲染中，虽然不一定需要有光，但是模拟出光的效果对于增加真实性至关重要，本文提出一种全新的渲染方法，在可接受的渲染开销范围内，实现快速多光源渲染，并且不会对半透明和反走样有任何限制。通过低分辨率软光栅化为屏幕每一个区块单独计算光源列表，把光源限制在屏幕可见区域内，来剔除绝大多数不必要的计算。这种方法不会对传统的向前光照有任何影响，仅仅在像素着色阶段添加额外的光源列表，具有兼容性好、开发便利、容易模块化等优点。

　　关键词：OpenGL实时渲染；3D；

　　中图分类号：TN-9 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-03-000267-01

　　一、为什么传统向前光照不能处理多光源

　　在讲述快速多光源渲染之前，首先需要说明一下传统的向前光照的基本流程。首先，3D物体通过顶点着色器，变换到投射空间，经过GPU硬件光栅化之后，在像素着色器里，通过被插值过的3D物体的法线与光照相关信息，进行光照计算[1]。以前可能在顶点着色器里计算光照比较多，不过无论如何，光照信息一般都是通过uniform变量传给着色器，无论顶点还是像素，着色器每次获取到的数据都是相同的，如果要进行多光源处理，需要把所有光源信息都一起传进来。对于光源来说，不可能所有光源都会在投射空间占据所有像素点，绝大多数光源可能仅仅占用不到5%，为了5%而在所有的像素内计算光照显然并不明智。由于GPU的特殊构造，分歧计算开销很大，无论是在着色器内判断每个光源是否占用当前像素，还是不判断直接进行光照计算，都是非常巨大的开销，也许十几个光源的开销还能接受，但是几百个光源显然是不可能接受了。

　　二、快速多光源渲染的基本流程

　　第一步，通过与屏幕比例相同的超低分辨率软光栅化，为每一个软光栅化像素生成一个独立的光源数据列表。第二步，把所有像素的光源数据列表合并为一个总列表，同时记录下每个软光栅化像素列表数据在总列表内的开始位置，以及当前像素列表内的光源数量。第三步，把每个像素在总列表内的开始位置与光源数量，按照像素在GPU内的分布，组成一个双通道纹理，一个通道是像素在总列表内的开始位置，另一个通道是光源数量。第四步，把第二步得到的总列表和第三步得到的纹理，传给显存。第五步，在渲染3D物体的像素着色器内，根据当前像素在屏幕上的坐标，从第三步的纹理中，采样出对应的像素值，接下来就是，逐个获取总列表中的光源数据，然后计算光照结果。下图为实际效果：

　　三、为什么要软光栅化与软光栅化步骤详细

　　现代GPU最初的目的，就是为了把光栅化从CPU手中接过来，以并行计算替代串行计算，从而实现至少3个数量级的提速[2] 。但是付出了代价，GPU的并行计算导致每个象素之间没有办法进行任何直接数据交流，每个象素的计算结果的大小必须是完全相同的。在快速多光源渲染的第一步，每个象素都是一个列表，而且每个象素的列表大小一般都是不同的，如果相同，某个象素列表里很可能会储存超过200个光源数据，所有的列表就都要超过200，否则就要丢失光源，这会导致总列表尺寸暴增，显然不可行。因此光源列表，就必须由CPU进行串行处理，也就是软光栅化。虽然软光栅化效率非常低，但是光源列表的分辨率并不需要与实际渲染窗口的分辨率相同，通常是四十分之一，例如1280X720分辨率的渲染窗口，光源列表分辨率可以只有32*18，总共576个象素。对于现代CPU来说，这样低分辨率的软光栅化当然不会很慢。快速多光源渲染的软光栅化目的不是绘制图形，而是生成光源列表，光源除了太阳光之外，都可以抽象为点光源，也就是一个球体，因此并不需要实现完整的标准软光栅化计算过程。光源列表不需要处理深度、半透明、颜色、模板，因此相关计算一律都可以省略，唯一需要的，就是把覆盖到当前像素的光源信息，添加到当前像素的列表里。

　　四、快速多光源渲染的硬件需求、适用范围和缺陷

　　快速多光源渲染最低需要显卡支持Opengl2.0，并且支持动态分支，相当于DirectX9.0c，如果可能，建议在支持Opengl3.0也就是DirectX10的显卡上实现，Opengl3.0可以用Texture Buffer Objects，在着色器获取光源数据的时候，可以大幅提高效率。快速多光源渲染最适合小尺寸场景，而且比较分散的场合，比如室内。如果一个场景内，上百个光源出现在摄像机附近，并且都覆盖了整个摄像机范围，这时候，相当于每个列表中都存了相同的数据，快速多光源渲染在这时候就无法起到任何作用了，这是最大的缺陷，因此，一定要避免此现象出现，其实此时跟GPU像素填充率不足的情况非常近似，也可以用近似的方法来处理。

　　参考文献：

　　[1]OpenGL体系结构审核委员会/Dave Shreiner/Mason Woo等 编着，OpenGL编程指南（第四版），人民邮电出版社，2005

　　[2]詹鹏；面向移动设备的3D图形光栅化处理单元的设计与实现[D]；西安科技大学；2012年

　　

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