Scene Management --- Culling

Scene Management --- Culling

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   上次说到场景很大，物体很多时，每帧都把所有物体传递给渲染系统是不可能的。考虑到所见区域只是场景中的一小部分，因此，剔除视野之外的物体，就显得尤为重要，也就是常说的裁剪。本质上，裁剪算是碰撞检测的一部分，通过碰撞检测判断物体是否在视锥之内，但他和游戏里一般的碰撞检测还是有很大区别的，所以不能混为一谈。当然，上次一的引擎流程图也稍稍进化了一点：

    具体如何实现裁剪的过程呢？假设1w×1w米的区域内有1w个物体，最初级的算法就是遍历1w个物体，计算他们是否与视锥相交。非常不幸的是这个过程同样非常缓慢，也许只能让我们的程序从n spf(seconds per frame)提升到1或者2fps。于是有聪明人发现把整个区域细分为n个子区域，只要子区域在视锥之内，那么子区域内的物体也必然可见，这种分割方法通常称为均匀网格（uniform grid）。对均匀网格来说，决定网格的大小是个难题，如果把场景细分为1×1的区域，那么相比最初的方法，几乎没有改进。而如果子网格太大，当整个视锥都在某个网格内，或者与网格相交时，仍然必须计算子网格内的每个物体是否在视锥内，最不幸的情况下，也许恰好1w个物体都在这个子区域中，那么性能依然很糟。所幸这样的情况很少发生，所以总的来说，均匀网格在效率上有了很大提升。

    按照细分网格的思想，完全可以对子网格进一步进行细分，所以类似四叉树，八叉树等等的空间划分算法被引入了裁剪。为了简单，下面仅以四叉树为例。显然，四叉树解决了均匀网格划分粒度大小的问题，它的多级层次划分，既能保证让大量物体迅速被剔除，又能保证裁剪精度。

    四叉树非常适合户外场景(比如wow大部分主城以外的区域)，但对于室内场景，地下城，或者物体相互遮挡非常严重的室外场景(比如城市)，却有些力不从心。四叉树对空间所有方向进行划分，而室内场景/地下城通常只沿几个方向延伸（区域a---区域b---区域c），户外城市虽然方向均匀，但遮挡严重，处在视锥内的物体并不一定是可见的。
 
    Portal也许是室内场景最好的划分方法：把空间分为大量相连的区域，并且预计算出在某个区域内可以看到的其他区域，比如在A方间内只能看到走廊B，那么显然其他区域内的物体就不用渲染了。这种裁剪过程更像是数据库查询而不是碰撞检测，效率非常高。但预计算可见性的过程却非常麻烦，而且对关卡设计的要求也很较高，我们希望在某个区域内可看到的额外区域尽可能少（比如1个），同时又要保证关卡的合理性，艺术性。
 
    对城市来说，视锥内物体的可见性计算也非常重要，比如NFS这样的游戏，视锥内的物体也许非常之多，真正可见的却只有临街的那些。于是有了遮挡剔除（Occlusion cull）的概念，计算某个物体是否被其他物体挡住。概念虽然很简单，但相对前面几种裁剪方法，实现起来要复杂的多，超出了本文讨论范围。
 
    现在到了最有趣的部分，我们可以把上面几种算法组合起来！比如在最高层次，把世界划分为较大的匀网格（比如500×500），这样的分割除了能快速裁剪大部分区域外，还让我们获得了动态加载场景的功能，1w×1w的区域内，只加载潜在可视范围内的n*n个子网格，随着视点的移动，不停加载/卸载子区域。接下来，为了保证裁剪的高效，对每个子网格再进行四叉树细分。更进一步，如果是室内场景，四叉树节点内可以包含portal节点，最后，如果protal节点所占的空间区域很大，还能继续用四叉树或者Occlusion cull细分对protal节点细分！实现细节上，只要保证所有方法都继承于Culler，我们可以派生出任意多种可互相嵌套的裁剪算法。

     最后还要说一点，如果某个物体既在视锥之内，又没有被遮挡，那是否就一定要渲染它呢？考虑视锥内一把离观察者很远的杀猪刀:)，也许投影光栅化之后，它只占屏幕中的几个像素，观察者完全无法分辨究竟是杀猪刀还是指甲剪。这种情况下，完全可以忽略这个物体。最简单的方法：用物体的包围盒面积与观察者之间距离的关系来作为参考。
 
      下一次，将是关于碰撞检测的内容，to be continue………………