Wonder Dynamics技术浅析（七）：细节优化
Wonder Dynamics 的场景优化与细节添加模块旨在提升虚拟场景的真实感和细节表现，主要通过纹理映射（Texture Mapping）、光照渲染（Lighting Rendering）和阴影渲染（Shadow Rendering）等技术来实现。
一、场景优化与细节添加概述
场景优化与细节添加模块的主要目标是通过以下技术提升虚拟场景的真实感和视觉效果：
1.纹理映射（Texture Mapping）: 将二维纹理图像映射到三维模型表面，以增加模型的细节和真实感。
2.光照渲染（Lighting Rendering）: 模拟真实世界中的光照效果，例如漫反射、镜面反射、环境光等。
3.阴影渲染（Shadow Rendering）: 模拟物体投射的阴影，以增强场景的深度感和真实感。
二、纹理映射（Texture Mapping）
纹理映射是指将二维纹理图像映射到三维模型表面，以增加模型的细节和真实感。
2.1 纹理映射方法
1.UV 映射（UV Mapping）:
- 将三维模型的表面展开为二维平面，并建立纹理图像与模型表面之间的对应关系。
- UV 坐标表示模型表面上的点在纹理图像中的位置。
: UV 坐标。
: 模型表面上的点。
2.投影映射（Projection Mapping）:
- 将纹理图像投影到模型表面，例如使用正交投影、透视投影等。
: 投影到纹理图像中的点。
: 模型表面上的点。
3.程序化纹理映射（Procedural Texture Mapping）:
- 使用数学函数或算法生成纹理，而不是使用预定义的纹理图像。
: 像素颜色。
2.2 纹理映射模型
1.纹理采样:
- 根据 UV 坐标从纹理图像中采样像素颜色。
: 纹理图像。
2.纹理过滤:
- 为了避免纹理映射中的锯齿效应，使用纹理过滤技术，例如双线性插值、三线性插值、各向异性过滤等。
- 双线性插值:
- 三线性插值:
: 多级渐远纹理（mipmap）层级。
3.纹理混合:
- 将多个纹理图像进行混合，例如使用加权平均、Alpha 混合等方法。
: 纹理图像的颜色。
: 混合系数。
三、光照渲染（Lighting Rendering）
光照渲染是指模拟真实世界中的光照效果，例如漫反射、镜面反射、环境光等，以增强场景的真实感。
3.1 光照模型
1.Lambert 漫反射模型:
- 模拟光线在粗糙表面上的漫反射。
: 漫反射光强。
: 漫反射系数。
: 表面法线。
: 光线方向。
: 光源光强。
2.Phong 镜面反射模型:
- 模拟光线在光滑表面上的镜面反射。
: 镜面反射光强。
: 镜面反射系数。
: 反射光线方向。
: 观察方向。
3.Blinn-Phong 模型:
- Phong 模型的改进版本，计算更高效。
: 半角向量。
4.环境光:
- 模拟环境中的间接光照。
: 环境光强。
: 环境光系数。
: 环境光颜色。
5.总光照强度:
3.2 光照渲染模型
1.局部光照渲染:
- 仅考虑光源直接照射到物体表面的光照效果。
2.全局光照渲染:
- 考虑光线在场景中的多次反射和折射，例如使用光线追踪（Ray Tracing）、路径追踪（Path Tracing）等方法。
- 光线追踪:
: 光线方向。
- 路径追踪:
3.光照贴图（Light Mapping）:
- 预先计算场景中的光照信息，并将其存储在纹理图像中。
: 光照贴图。
四、阴影渲染（Shadow Rendering）
阴影渲染是指模拟物体投射的阴影，以增强场景的深度感和真实感。
4.1 阴影映射（Shadow Mapping）
1.阴影映射原理:
- 从光源位置渲染场景，生成深度图（Depth Map）。
- 比较当前像素的深度值与深度图中的值，判断该像素是否在阴影中。
: 深度图。
2.阴影映射算法:
- 生成深度图:
- 阴影检测:
: 像素的深度值。
- 阴影渲染:
: 光照强度。
4.2 阴影体积（Shadow Volume）
1.阴影体积原理:
- 使用几何体来表示阴影区域，并利用模板缓冲区（Stencil Buffer）来渲染阴影。
2.阴影体积算法:
- 生成阴影体积:
- 渲染阴影:
4.3 阴影贴图（Shadow Mapping）与阴影体积的比较
- 阴影映射:
- 实现简单，计算效率高，但存在自阴影问题（Self-Shadowing Artefacts）。
- 阴影体积:
- 可以避免自阴影问题，但实现复杂，计算效率较低。