間接光照 (環(huán)境光照)

　　隨著容積陰影與陰影貼圖等先進(jìn)投影技術(shù)的引入，3D游戲中的光影效果在過去幾年里有了翻天覆地的改進(jìn)。盡管如此，幾乎當(dāng)前所有的游戲在光影處理上都存在一個重大缺陷——那就是缺乏對“間接光照”的表現(xiàn)。比如當(dāng)年以出色的光影效果而聞名的DOOM 3，雖然其光影效果令玩家們印象深刻，但當(dāng)時仍有很多人發(fā)現(xiàn)了該游戲在處理光照效果上存在一個重大缺陷：游戲中的場景處于光源之內(nèi)的就“燈火通明”，而光源之外就是“漆黑一片”，明亮區(qū)域與黑暗區(qū)域之間缺乏過渡，完全沒有所謂的“半影區(qū)域”，這樣整個環(huán)境看起來就顯得相當(dāng)生硬突兀。實際上這就是由于DOOM 3缺乏對“間接光照”的計算所造成的，在現(xiàn)實環(huán)境中，光束的行程并非只局限于從光源出發(fā)然后到接收物體處結(jié)束，事實上由于自然界中的大部分物體對于光線都存在不同程度的反射率，所以光束在到達(dá)接收物體表面之后又有一部分被反射到周圍的物體上，這時光線的接收體已經(jīng)變成了“環(huán)境光源”，對其周圍的物體跟場景能夠產(chǎn)生光照效果。光線的跳轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)移使得“直接光照”以外的區(qū)域也能受到一定程度的光照，從而產(chǎn)生一種“半亮半影”的自然過渡區(qū)域，而這種效果正是“間接光照”所要表現(xiàn)的。

　　DOOM 3幾乎沒有考慮到間接光照的計算，上圖燈的上方跟人物周圍的場景漆黑一片

　　事實上不僅僅是DOOM3，后來發(fā)布的Riddick、FEAR、SCCT、Quake 4等光影效果出眾的游戲同樣缺乏對間接光照的支持。只有HL2采用radiosity Normal Maps技術(shù)在一定程度上實現(xiàn)了間接光照，但由于HL2中動態(tài)光源太少加上蹩腳的投影技術(shù)，最終出來的效果并不出眾。而跳票王STALKER也秘密內(nèi)置了對間接光照的支持，雖然效果比HL2要好許多，但由于性能代價太大以及算法還不夠完善等問題而被開發(fā)商隱藏起來，玩家只能通過控制臺來打開。

　　不出意外的話，Crysis將成為首個對間接光照支持最完整、效果最出色的游戲。對于間接光照的實現(xiàn)，Crytek原本打算采用目前最廣受認(rèn)可的全局光照算法——光子映射來預(yù)計算輻射度信息，并采用類似HL2的做法將光線的輻射信息保存在貼圖中，crytek甚至為此而準(zhǔn)備了一個叫做“3D傳輸采樣器”的工具，可以很方便地運用光子映射算法來計算全局光照數(shù)據(jù)。不過由于數(shù)據(jù)存儲量以及計算量太大，Crytek最終拋棄了這種方法。

　　實時環(huán)境關(guān)照貼圖可以將預(yù)先計算的環(huán)境光照信息添加到室內(nèi)環(huán)境的表面信息中，

　　包括當(dāng)前環(huán)境的入射光位置跟顏色都可以被動態(tài)添加到用于照明室內(nèi)場景的光照強(qiáng)度中，

　　此舉可以顯著提升實時逐象素光照跟陰影的逼真度。

　　Crytek改用另一種更加簡單的做法——Real-Time Ambient Map(實時環(huán)境光照貼圖，最近開始走紅的實時間接光照實現(xiàn)算法，STALKER在室外場景就采用了該技術(shù)來實現(xiàn)環(huán)境光照，下文簡稱RAM)，跟之前的做法相比，采用RAM每象素只需保存一個標(biāo)量環(huán)境遮蔽值，該數(shù)值可以通過向所有方向發(fā)射光線來計算，而且最終得出的數(shù)值還可以反復(fù)使用。RAM在著色程序中根據(jù)帶有遮蔽值的象素、相對于表面的光照位置以及光照顏色和表面法線等信息來計算物體表面對光線的接收程度。值得一提的是，這里計算得出的結(jié)果只是一個近似值，精確度不高，但是對于欺騙人眼還是沒有問題的。

　　室外場景里使用了2.5D環(huán)境光照技術(shù)，該技術(shù)可以根據(jù)環(huán)境物體(比如植物、建筑物)對光源的遮擋情況，

　　正確計算出物體接收到的光照量

　　為了提高RAM的效率跟適用范圍，Crytek的天才程序員又對其進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的算法稱為“Screen-Space Ambient Occlusion” (屏幕空間環(huán)境光遮蔽，下文簡稱SSAO)。SSAO通過采樣象素周圍的信息，并進(jìn)行簡單的深度值對比來計算物體身上環(huán)境光照無法到達(dá)的范圍，從而可以表現(xiàn)出物體身上在環(huán)境光照下產(chǎn)生的輪廓陰影。由于可以利用我們前面介紹過的“逐象素場景深度計算”技術(shù)計算得出的深度值直接參與運算，所以SSAO的效率相比RAM有了顯著的提高。