3D游戏引擎入门课程——场景渲染

写在前面

本专栏内容均为学堂在线慕课《3D游戏引擎架构设计基础》中的内容。个人将其转化成文字和图片的版本（个人更加喜欢文字版本的教程，阅读速度更快很多），方便查阅。
原课程链接：3D游戏引擎架构设计基础。

场景渲染

渲染概述与剔除方法

渲染的定义：将三维矢量描述的场景转换到二维像素描述的场景的处理过程，是整个游戏引擎功能模块是最重要的内容。

相关的概念描述包括：

为了提升渲染的效率，可以采用不可见物体剔除，包括：

• 根据摄像机位置，剔除视见体外的物体（可以通过包围体）

• 判断视见体中物体的遮挡关系，剔除被遮挡的物体（可以通过包围体）

• 剔除可见物体的背面

真实感渲染中，包括以下内容的计算和融合得到渲染结果。

• 光照，指根据场景定义的灯光、材质等属性，用图形库支持光照模型渲染场景。其中光照模型包括：局部光照模型，全局光照模型，光照绘制算法等，光照计算通过光源、三角形面片的顶点法向量和材质等属性计算。光源是不可渲染的，只是作为计算真实感场景的属性，本身不被渲染。

• 纹理：纹理映射是增加场景网格模型真实感表现效果的方法。纹理是由像素表示的，是以贴图映射的形式与网格模型关联起来，其纹理涂是一种资源文件。如.jpg,.tga,.bmp,.png,.tif等，可以与光照、阴影、特效等产生混合效果。纹理映射方法包括：多重纹理、凹凸纹理、光泽纹理、投影纹理、环境纹理等。

• 阴影，可以产生场景深度和立体效果。阴影区域就是，在视点位置看是可见区域，但在光源位置看是不可见区域，示意图如下：

其中软阴影的概念为：如果是面光源照射物体，则影子区域呈现为软阴影，即阴影由全阴影区和半阴影区组成，示意图如下：

• 视觉特效，可以产生动态光影效果，一般用布告板或粒子系统等实现。
  渲染实现的重要部分：GPU和着色器编程：
  
  其对于游戏引擎的要求：
  
• LOD

LOD（Level of Detail）是指渲染时，使用较少的细节表示较小的、较远的或不太重要的场景物体。实现方法包括：离散LOD（静态LOD），连续LOD（动态LOD）和视点依赖LOD等。

场景渲染实例

OGRE场景渲染

OGRE主渲染循环：

OGRE主渲染时序图：

OGRE SceneManager类的渲染操作：

1. SceneManager::_renderScene(Camera *camera, Viewport *vp, bool includeOverlays)
   

2. SceneManager::_renderVisibleObjects(void)
   

3. SceneManager::renderVisibleObjectsDefaultSequence(void)
   

4. SceneManager::_renderQueueGroupObjects(RenderQueueGroup *pGroup, QueuedRenderableCollection::OrganisationMode om)
   

5. SceneManager::renderBasicQueueGroupObjects(RenderQueueGroup *pGroup, QueuedRenderableCollection::OrganisationMode om)
   加粗样式

6. SceneManager::renderObjects(…);
   QueuedRenderableCollection::acceptVisitorGrouped(…)
   QueuedRenderableCollection::acceptVisitor(…);

7. SceneManager::SceneMgrRenderableVistor::VISIT(Pass *p, Renderable *r);
   

8. SceneManager::renderSignleObject(…)
   

9. SceneManager::_issueRenderOp(…)
   GLRenderSystem::_render(RenderOperation &op)//使用OpenGL渲染
   

以上Step总结：

Panda3D场景渲染

Panda3D渲染过程：

Panda3D渲染核心类和类关系：

下面是几种Panda3D场景渲染的核心类详细描述：

Panda3D渲染管理：

1. 应用程序启动渲染；

2. 对于视见体，剔除不可见物体，建立渲染队列和状态，并排序；

3. 执行渲染，获得一帧渲染结果

4. 应用程序更新场景，循环开始下一帧渲染，转2.

Panda3D主渲染流程：

其中的几个子过程如下：

1. 异步任务驱动渲染的流程：
   
2. 多线程渲染：
   
3. 剔除操作
   
4. 渲染操作