間接光照 (環(huán)境光照)

　　隨著容積陰影與陰影貼圖等先進(jìn)投影技術(shù)的引入，3D游戲中的光影效果在過(guò)去幾年里有了翻天覆地的改進(jìn)。盡管如此，幾乎當(dāng)前所有的游戲在光影處理上都存在一個(gè)重大缺陷——那就是缺乏對(duì)“間接光照”的表現(xiàn)。比如當(dāng)年以出色的光影效果而聞名的DOOM 3，雖然其光影效果令玩家們印象深刻，但當(dāng)時(shí)仍有很多人發(fā)現(xiàn)了該游戲在處理光照效果上存在一個(gè)重大缺陷：游戲中的場(chǎng)景處于光源之內(nèi)的就“燈火通明”，而光源之外就是“漆黑一片”，明亮區(qū)域與黑暗區(qū)域之間缺乏過(guò)渡，完全沒(méi)有所謂的“半影區(qū)域”，這樣整個(gè)環(huán)境看起來(lái)就顯得相當(dāng)生硬突兀。實(shí)際上這就是由于DOOM 3缺乏對(duì)“間接光照”的計(jì)算所造成的，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，光束的行程并非只局限于從光源出發(fā)然后到接收物體處結(jié)束，事實(shí)上由于自然界中的大部分物體對(duì)于光線都存在不同程度的反射率，所以光束在到達(dá)接收物體表面之后又有一部分被反射到周圍的物體上，這時(shí)光線的接收體已經(jīng)變成了“環(huán)境光源”，對(duì)其周圍的物體跟場(chǎng)景能夠產(chǎn)生光照效果。光線的跳轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)移使得“直接光照”以外的區(qū)域也能受到一定程度的光照，從而產(chǎn)生一種“半亮半影”的自然過(guò)渡區(qū)域，而這種效果正是“間接光照”所要表現(xiàn)的。

　　DOOM 3幾乎沒(méi)有考慮到間接光照的計(jì)算，上圖燈的上方跟人物周圍的場(chǎng)景漆黑一片

　　事實(shí)上不僅僅是DOOM3，后來(lái)發(fā)布的Riddick、FEAR、SCCT、Quake 4等光影效果出眾的游戲同樣缺乏對(duì)間接光照的支持。只有HL2采用radiosity Normal Maps技術(shù)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了間接光照，但由于HL2中動(dòng)態(tài)光源太少加上蹩腳的投影技術(shù)，最終出來(lái)的效果并不出眾。而跳票王STALKER也秘密內(nèi)置了對(duì)間接光照的支持，雖然效果比HL2要好許多，但由于性能代價(jià)太大以及算法還不夠完善等問(wèn)題而被開(kāi)發(fā)商隱藏起來(lái)，玩家只能通過(guò)控制臺(tái)來(lái)打開(kāi)。

　　不出意外的話，Crysis將成為首個(gè)對(duì)間接光照支持最完整、效果最出色的游戲。對(duì)于間接光照的實(shí)現(xiàn)，Crytek原本打算采用目前最廣受認(rèn)可的全局光照算法——光子映射來(lái)預(yù)計(jì)算輻射度信息，并采用類似HL2的做法將光線的輻射信息保存在貼圖中，crytek甚至為此而準(zhǔn)備了一個(gè)叫做“3D傳輸采樣器”的工具，可以很方便地運(yùn)用光子映射算法來(lái)計(jì)算全局光照數(shù)據(jù)。不過(guò)由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量以及計(jì)算量太大，Crytek最終拋棄了這種方法。

　　實(shí)時(shí)環(huán)境關(guān)照貼圖可以將預(yù)先計(jì)算的環(huán)境光照信息添加到室內(nèi)環(huán)境的表面信息中，

　　包括當(dāng)前環(huán)境的入射光位置跟顏色都可以被動(dòng)態(tài)添加到用于照明室內(nèi)場(chǎng)景的光照強(qiáng)度中，

　　此舉可以顯著提升實(shí)時(shí)逐象素光照跟陰影的逼真度。

　　Crytek改用另一種更加簡(jiǎn)單的做法——Real-Time Ambient Map(實(shí)時(shí)環(huán)境光照貼圖，最近開(kāi)始走紅的實(shí)時(shí)間接光照實(shí)現(xiàn)算法，STALKER在室外場(chǎng)景就采用了該技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境光照，下文簡(jiǎn)稱RAM)，跟之前的做法相比，采用RAM每象素只需保存一個(gè)標(biāo)量環(huán)境遮蔽值，該數(shù)值可以通過(guò)向所有方向發(fā)射光線來(lái)計(jì)算，而且最終得出的數(shù)值還可以反復(fù)使用。RAM在著色程序中根據(jù)帶有遮蔽值的象素、相對(duì)于表面的光照位置以及光照顏色和表面法線等信息來(lái)計(jì)算物體表面對(duì)光線的接收程度。值得一提的是，這里計(jì)算得出的結(jié)果只是一個(gè)近似值，精確度不高，但是對(duì)于欺騙人眼還是沒(méi)有問(wèn)題的。

　　室外場(chǎng)景里使用了2.5D環(huán)境光照技術(shù)，該技術(shù)可以根據(jù)環(huán)境物體(比如植物、建筑物)對(duì)光源的遮擋情況，

　　正確計(jì)算出物體接收到的光照量

　　為了提高RAM的效率跟適用范圍，Crytek的天才程序員又對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的算法稱為“Screen-Space Ambient Occlusion” (屏幕空間環(huán)境光遮蔽，下文簡(jiǎn)稱SSAO)。SSAO通過(guò)采樣象素周圍的信息，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的深度值對(duì)比來(lái)計(jì)算物體身上環(huán)境光照無(wú)法到達(dá)的范圍，從而可以表現(xiàn)出物體身上在環(huán)境光照下產(chǎn)生的輪廓陰影。由于可以利用我們前面介紹過(guò)的“逐象素場(chǎng)景深度計(jì)算”技術(shù)計(jì)算得出的深度值直接參與運(yùn)算，所以SSAO的效率相比RAM有了顯著的提高。