电子游戏设计与制作(三维游戏中的场景管理技术)

1 三维场景的组织和管理

• 在实时绘制的前提下，控制每帧画面绘制的多边形数目、检查游戏中的物理特性及管理网络吞吐量等
• 利用遮挡剔除技术减少场景复杂度（例如背面剔除算法，法线向量与视线向量的数量积正负判断正反面）

场景图的表达和管理

第一步：
根据游戏的需要更新场景图必要的部分
这种更新是部分的,不需要从根节点遍历

第二步：
场景图的剔除和绘制

矩阵堆栈
矩阵堆栈的顶部矩阵就是当前的ModelView 矩阵 ©.
矩阵堆栈的好处：允许一系列位置（代表了坐标系统）保留下来,并在需要的时候使用它们。

绘制状态的场景管理

状态切换是指任意影响画面生成的函数调用，包括纹理、材质、光照、融合等。
切换状态很耗时。
思路：将场景按绘制状态分类，相同状态的物体只设置一次状态，并始终保存当前状态列表。

按各种状态的耗时进行排序

• 树的顶层表示最耗时的状态改变
• 叶节点表示代价最小的状态改变

景物包围体的场景组织

加速判断场景物体之间的空间关系,主要有两种方法

• 对单个物体建立包围体,在包围体的基础上建立包围盒层次树
• 场景剖分
• 

优化场景绘制的几何剖分

将场景中的几何物体通过层次性机制组织起来
优点：使用灵活,能快速剔除层次树的整个分枝
注意：注意保持树的平衡

BSP树

类型：
均匀剖分
平行坐标轴剖分
任意平面剖分

构建：
基于场景几何
基于分割平面

BSP算法：
遍历树，判断视点位于分割面的哪一侧。
BSP为预处理的排序算法，本质上可看成画家算法的扩展。

BSP树的缺点：

• 当多边形与分割面相交时，必须将多边形沿分割面分隔，产生过多的多边形。
• 较难根据场景几何自动选取分割面。

四叉树

八叉树

几种技术比较

八叉树与BSP的比较

景物包围体和场景剖分技术比较

该图片来源：页游www.hp91.cn/页游

2 游戏场景的几何优化

本质：在不影响画面视觉效果的条件下，逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂度，从而提高绘制效率

简单取舍型LOD

计算每个物体（一般采用物体包围盒）投影在屏幕的像素数，如果小于给定阈值，不绘制物体。

缺点：

• 没有减少模型细节
• 当相机运动时，造成跳跃，从而产生视觉失真。

平滑过渡型LOD

与简单取舍型LOD相比，对于不应绘制的物体，将物体淡出视野
适用于模拟小的植被，装饰物等。

静态LOD

减少物体多边形数目

核心思想：预计算同一物体的多个不同精度的版本，精度情况参考屏幕投影尺寸

动态LOD

根据相机位置和物体的重要性动态简化网格

经典的简化算法：

• 顶点删除
• 边删除
• 面删除

3 三维场景的快速可见性判断与消隐

3.1 可见性判断算法分类

该图片来源：页游www.hp91.cn/页游

3.2 遮挡面剔除技术

适用于人造建筑物少的室外场景
代表性算法:基于阴影体技术

包围球加速

遮挡体设置的两种途径：

• 利用建模软件包编辑遮挡体
• 集成遮挡体功能到游戏编辑器（如Unity里的Occlusion Culling）

3.3 可见性计算

作用：用于决定场景中可能可见的物体

• 视域裁剪算法（绘制引擎本身自带的）
• Z-buffer算法（帧缓存+深度缓存 易于在图形硬件上实现，并演化成标准的硬件消隐技术。缺点：需要将齐次坐标转换为三维坐标）
• 基于入口技术的可见性判断（适于室内游戏的场景管理，根据单元与单元之间的邻接图，通过深度遍历建立起单元与单元的入口序列）
• 基于入口结构的绘制技术（精细型、粗略型 优点：方便定义场景、快速绘制 缺点：消耗大量的内存、不适合室外渲染）

3.4 PVS:潜在可见集

在入口技术中，有n个单元，每个单元设置一个n位组成的标志位。第i个单元相对于当前单元如可见，那么设置第i位为1。

某个单元可见的单元数目＞特定视点的可见单元数。

PVS是一种预处理技术。

PSV与遮挡面剔除技术

• 遮挡面剔除技术预先剔除肯定不可见的面
• PVS提取那些潜在可见面