离散细节层级 Discrete LoDs#

• 预计算物体的几种不同分辨率模型，即不同的 LoDs。

• 优点

  • 高效，直接选择最合适的模型渲染即可。

• 缺点

  • 需要多少个细节层级？
  • 切换模型时可能产生视觉伪影 (Visual artifacts)。

  

渐进网格 Progressive meshes#

• 物体模型的分辨率可以通过称为边收缩 (edge collapse) 的操作减少。

  

• 每次边收缩操作会移除模型中的两个三角形，即略微降低模型分辨率。

• 如果对模型持续进行边收缩，模型的分辨率会逐渐降低，直到达到最低分辨率，这个最低分辨率模型称为基网格 (base mesh)。

• 模型分辨率可以通过逆向操作顶点分裂 (vertex split) 逐步增加，该操作向模型中引入两个三角形。

  

• 从基网格开始，持续应用顶点分裂，最终恢复到最高分辨率，也就是原始模型。

• 两个操作可表示为：

  $$M_{n}^{\text{ecol}} \xrightarrow[\text{edge collapse}]{} M_{n-1}^{\text{ecol}} \xrightarrow[\text{edge collapse}]{} \cdots \xrightarrow[\text{edge collapse}]{} M_{0}^{\text{ori}} = M^{\text{base}}$$ $$M_{0}^{\text{ori}} \xrightarrow[\text{vertex split}]{} M_{1}^{\text{vsplit}} \xrightarrow[\text{vertex split}]{} \cdots \xrightarrow[\text{vertex split}]{} M_{n}^{\text{vsplit}} = M^{\text{orig}}$$

• 渐进网格结构既可以用于高效存储 (efficient storage)，也可以用于渐进传输 (progressive transmission)。

  

选择性细化 Selective refinement#

• 对于大型模型，例如景观模型，大部分时间我们只关注其中一小部分细节。

• 但渐进网格是独立于视角构造的，即高（低）分辨率时，整个模型都是高（低）分辨率。

• 如果能选择性地细化我们感兴趣的局部区域的模型分辨率，并保持其他部分为低分辨率，将优化三角形数量，从而提高渲染性能。

• 选择性细化的难点在于边收缩和顶点分裂操作时，三角形相邻区域之间存在强依赖。

阴影体积法 Shadow volume methods#

• 确定处于阴影中的体积，并用多边形包围。

• 判断点是否在阴影中，通过检查该点是否在阴影体积内。

• 该方法通常更复杂，因为需要处理额外的几何结构。

• 确定阴影状态

  • 从视点向每个感兴趣点连线。
  • 计数器初始为0。
  • 线穿过阴影体积的前向多边形，计数器加1。
  • 线穿过阴影体积的后向多边形，计数器减1。
  • 计数器最终为正数，点处于阴影中。

  

阴影贴图法 Shadow map methods#

• 首先从光源视角使用 z 缓冲法渲染深度图，称为阴影贴图 (shadow map)。
• 表示深度图每个像素处对光源可见的物体。

• 然后从观察者视角生成输出图像。

• 对每个像素，转换其观察者空间的深度值到光源空间。

• 将转换后的深度值与阴影贴图中对应深度值比较。

• 如果转换后的深度值大于阴影贴图深度值，该点处于阴影中。

• 标准阴影贴图法主要限制是存在锯齿效应 (aliasing)（混叠）。
• 为了解决这个问题，透视阴影贴图法通过先从观察者视角进行透视变换，再生成阴影贴图
• 因此，近处物体在阴影贴图中看起来更大，远处物体看起来更小。

点光源合成 Combining point light sources#

• 在不同位置多次采样光源，为每个样本点生成阴影贴图。
• 将这些阴影贴图合成为 衰减贴图 (attenuation map)。
• 最终渲染时，用衰减贴图调制每个阴影点的光照。

单次采样软阴影 Single sample soft shadow#

• 先从光源生成标准阴影贴图。
• 根据遮挡物深度，在阴影边界外生成半影区域。
• 同样地，在阴影边界外生成另一个半影区域。
• 衰减因子从内半影边缘（值为1）变化到外半影边缘（值为0）。