環(huán)境光遮蔽

AO是來描繪物體和物體相交或靠近的時(shí)候遮擋周圍漫反射光線的效果，可以解決或改善漏光、飄和陰影不實(shí)等問題，解決或改善場(chǎng)景中縫隙、褶皺與墻角、角線以及細(xì)小物體等的表現(xiàn)不清晰問題，綜合改善細(xì)節(jié)尤其是暗部陰影，增強(qiáng)空間的層次感、真實(shí)感，同時(shí)加強(qiáng)和改善畫面明暗對(duì)比，增強(qiáng)畫面的藝術(shù)性。

AO這項(xiàng)技術(shù)最早是在Siggraph 2002年會(huì)上由ILM（工業(yè)光魔）的技術(shù)主管Hayden Landis所展示，當(dāng)時(shí)就被叫做Ambient Occlusion。象RenderMan系列渲染器中的PRMan、BMat以及Maya、Blender等軟件引入AO技術(shù)較早，Softimage|XSI與Cinema 4D是在Siggraph 2005上發(fā)布的版本中增加AO的。

在Max的渲染器中，除Mr較早外，最近的fR Stage-1 R2.0和VR 1.5RC3才見AO現(xiàn)身。對(duì)此，打個(gè)玩笑的比方：如果對(duì)Max中四大渲染器的AO來劃“階級(jí)成分”的話，mr算是“地主”了，它的AO Shader資歷最深、家產(chǎn)最多，除本能外還可以放入相機(jī)、燈光Shader來計(jì)算和控制，高級(jí)用戶更可自行編程，另外新增的“建筑與設(shè)計(jì)材質(zhì)”也內(nèi)置了“AO特效”；fR可算“富農(nóng)”，因?yàn)锳O Shader同樣擁有用作燈光、遮罩、融合以及反射的“資本”，但終因無QMC之故AO雖快卻質(zhì)差，所以是“暴發(fā)戶”一類的；VR差不多算“中農(nóng)”吧，雖然就一個(gè)“Dirt”倒也能自給自足，不花哨從而保持了“本色”；而Br就是貧農(nóng)了，因?yàn)樗壳吧胁粨碛蠥O（但它基于QMC的GI似乎可以抗衡其他渲染器GI AO效果，而且據(jù)說最新的2.0版本在整體速度上已經(jīng)超過了VR 1.5RC3）。

經(jīng)過前面的介紹，我們已經(jīng)了解了環(huán)境光遮蔽存在的目的，下面我們簡(jiǎn)單介紹一下AO環(huán)境光遮蔽的實(shí)現(xiàn)機(jī)理。AO環(huán)境光遮蔽通過相對(duì)廉價(jià)的計(jì)算效能來實(shí)現(xiàn)全局光照中陰影的高級(jí)效果，簡(jiǎn)單說AO環(huán)境光遮蔽就是在每個(gè)取樣點(diǎn)上計(jì)算它被其它幾何體覆蓋的程度，是計(jì)算在一個(gè)統(tǒng)一的光強(qiáng)度下場(chǎng)景的軟陰影效果的圖形技術(shù)。 　AO環(huán)境光遮蔽在多種靜態(tài)3D處理軟件（如3D Max或Maya）中都有涉及，其是一種比全局光照效率更高的光照處理方式（效果接近），它通過改善陰影來現(xiàn)實(shí)更好的視覺效果，提高場(chǎng)景的深度和層次感，大大豐富了圖像細(xì)節(jié)。

下圖：一般光照渲染模式下圖：環(huán)境光遮蔽渲染模式

環(huán)境光遮蔽是實(shí)現(xiàn)全局場(chǎng)景類似軟陰影從而達(dá)成更佳全局光照效果的技術(shù)

在3D軟件中應(yīng)用的靜態(tài)AO環(huán)境光遮蔽因?yàn)樾枰A(yù)渲染、而且速度仍然較慢，所以不能直接照搬到動(dòng)態(tài)畫面（游戲）的處理方式中。在近些年的游戲中，很多游戲公司都致力于表現(xiàn)更逼真的光照效果，提出了很多相關(guān)的技術(shù)，比如《半條命2》中的Radiosity Normal Maps技術(shù)、《潛行者》中的GI全局光照等等。

這些技術(shù)都未能很好的實(shí)現(xiàn)光照的效果或效率的保證，此時(shí)Crytek正在開發(fā)《孤島危機(jī)》，其應(yīng)用了一項(xiàng)名為Real-Time Ambient Map（實(shí)時(shí)環(huán)境光照貼圖）的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)非常接近SSAO技術(shù)，而隨著研發(fā)的深入，這項(xiàng)技術(shù)最終被升級(jí)為新的算法，并在CryEngine2引擎的技術(shù)白皮書中最終將這項(xiàng)升級(jí)后的技術(shù)命名為SSAO。 　從這個(gè)角度講，其實(shí)在電腦游戲的應(yīng)用中，率先提出的環(huán)境光遮蔽在算法上已經(jīng)直接達(dá)成了SSAO（屏幕空間環(huán)境光遮蔽），而AO環(huán)境光遮蔽這種模式并未直接在游戲中應(yīng)用，至于NVIDIA在控制面板中的提出的“AO環(huán)境光遮蔽”的概念，我們對(duì)其算法不得而知，但是可以明確的是，其算法必然與靜態(tài)的環(huán)境光遮蔽的算法不同，可能就是SSAO（屏幕空間環(huán)境光遮蔽）或者類似的算法。

看一段小文字：

《鯊魚故事》（Shark Tale）是2005年第77屆奧斯卡金像獎(jiǎng)“最佳動(dòng)畫長(zhǎng)片”提名的三部影片之一。為了更好地達(dá)到“繪畫感”這個(gè)需要，總美工設(shè)計(jì)師皮埃爾特別用到了軟區(qū)域陰影和反射光，即利用環(huán)境光來模擬柔和陰影，這是當(dāng)時(shí)非常流行的一種新的燈光技術(shù)，稱為“Ambient Occlusion”（夢(mèng)工廠稱之為“exposure”<曝光>），它能夠?yàn)楸砻嫔系拿恳稽c(diǎn)精確計(jì)算來自天空的自然光量，這樣處理的結(jié)果就像是一張陰天狀態(tài)下曝光極好的灰度照片。然后將Ambient Occlusion Pass（AO層）與環(huán)境燈光合成，這樣，CG元素與實(shí)拍的素材就非常自然地結(jié)合在一起了。

3D軟件（渲染器）中AO的原理是統(tǒng)一的，Max中mr、fR、VR的AO也是幾乎一致的（只是可控性和功能、用途有所不同）。順便提一下，如果有些使用VR的朋友確實(shí)認(rèn)為mr或fR的AO既快又功能多的話，那么不妨結(jié)合了使用，就是說“VR原始渲染 mr或fR的AO”進(jìn)行合成，這其實(shí)也是我最近想到的一個(gè)思路。但就目前而言，我還是很喜歡VR的AO，因?yàn)樗僮骱?jiǎn)單靈活、效果真實(shí)細(xì)膩

隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，玩家對(duì)游戲畫面圖形的逼真度要求越來越高，而近些年推動(dòng)游戲圖形畫面逼真的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是光照/光影效果，如果能非常近似的模擬與現(xiàn)實(shí)生活一樣的光照效果，那么游戲的畫面將非比尋常，但是光照/光影效果的計(jì)算非常復(fù)雜而且消耗巨大的資源，成為阻礙相關(guān)技術(shù)推進(jìn)的最大障礙。

實(shí)現(xiàn)光照/光影的最逼真效果就是達(dá)成全局光照。在早期的游戲中僅能實(shí)現(xiàn)直接光照的效果，也就是說光線從光源發(fā)出、照射到物體上后、反射到玩家眼中，光照的計(jì)算就完成了。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，要得到更加具有真實(shí)感的圖形畫面，不僅要計(jì)算直接光照，還需要計(jì)算間接光照，也就是說，光線從光源發(fā)出、照射到物體上后，除了計(jì)算物體本身反射到玩家眼中的光線，還要計(jì)算物體多次反射、折射、吸收光線，以及物體之間因?yàn)榉瓷?、折射而?dǎo)致的光線、陰影變化，經(jīng)過綜合計(jì)算將光線和陰影的最終效果展示（反射）到玩家眼中，從而實(shí)現(xiàn)全局光照的效果。

全局光照在靜態(tài)圖形的處理上比較完美，因?yàn)殪o態(tài)圖形可以等待渲染的時(shí)間，但是對(duì)于游戲來說，持續(xù)的動(dòng)態(tài)畫面必須保證每秒幾十fps的渲染速度，因此全局光照的處理就需要非常謹(jǐn)慎，其算法在推進(jìn)畫面真實(shí)度的同時(shí)，必須保證相應(yīng)的效率，否則就會(huì)打破畫面效果和幀速度之間的平衡。

說到這里，我們先介紹一下實(shí)現(xiàn)全局光照效果非常好的一種方式，那就是“光線追蹤”技術(shù)（Ray Tracing），光線追蹤算法分為兩種：正向追蹤算法和反向追蹤算法。其中，正向追蹤算法是大自然的光線追蹤方式，即由光源發(fā)出的光經(jīng)環(huán)境景物間的多次反射、透射后投射到景物表面，最終進(jìn)入人眼。反向追蹤算法正好相反，它是從觀察者的角度出發(fā)，只追蹤那些觀察者所能看見的表面投射光。

Intel、AMD和NVIDIA都在光線追蹤技術(shù)方面有所發(fā)展，Intel根據(jù)相應(yīng)技術(shù)對(duì)《Quake4》游戲進(jìn)行了重制，但是相應(yīng)的GPGPU處理器Larrabee的銷聲匿跡讓這個(gè)技術(shù)也暫時(shí)消失在人們的視野中；ATI在HD4000系列時(shí)代曾經(jīng)展示過基于光線追蹤技術(shù)的Cinema 2.0，但目前仍然沒有技術(shù)的更新資料；NVIDIA在光線追蹤方面相對(duì)領(lǐng)先，其發(fā)布了基于CUDA架構(gòu)的光線追蹤引擎OptiX。

光線追蹤在未來將會(huì)是實(shí)現(xiàn)全局光照的最佳方案，但是光線追蹤的計(jì)算方法非常復(fù)雜、負(fù)載極大，并且與目前顯卡架構(gòu)以光柵化為主的處理方式難以融合（Intel和NVIDIA目前都趨向于在Larrabee、Quadro等上實(shí)現(xiàn)），短期內(nèi)仍然無法應(yīng)用于游戲顯卡上。

目前游戲開發(fā)者實(shí)現(xiàn)全局光照更多的使用AO技術(shù)。AO技術(shù)以獨(dú)特的計(jì)算方式吸收“環(huán)境光”（同時(shí)吸收未被阻擋的“光線”和被阻擋光線所產(chǎn)生的“陰影”），從而模擬全局光照。

現(xiàn)在將話題轉(zhuǎn)回來并做一個(gè)簡(jiǎn)短的總結(jié)：

1.全局光照是未來實(shí)現(xiàn)游戲圖形畫面真實(shí)化的一個(gè)重要元素（其可以達(dá)成光影效果的逼真化，對(duì)應(yīng)的相反關(guān)鍵詞為直接光照）。

2.光線追蹤是實(shí)現(xiàn)全局光照完美效果的最佳技術(shù)/方式之一，也是未來的一個(gè)發(fā)展方向，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式最接近現(xiàn)實(shí)的物理模型，但是因?yàn)樾瘦^低，所以目前的游戲和顯卡架構(gòu)無法承擔(dān)。

3.目前游戲已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)全局光照的效果，但是并未采用光線追蹤的方式，而是采用其它多種實(shí)現(xiàn)方式來達(dá)成全局光照的效果，其中包括“AO”環(huán)境光遮蔽。

4.“AO”環(huán)境光遮蔽是實(shí)現(xiàn)全局光照中部分物體局部光照和陰影真實(shí)化的一種技術(shù)方式，其函數(shù)實(shí)現(xiàn)方式并未嚴(yán)格遵循現(xiàn)實(shí)的物理模型，但是效率較高，因此被當(dāng)前游戲廣泛應(yīng)用。

5.再次強(qiáng)調(diào)，AO環(huán)境光遮蔽（包括其變種SSAO、HBAO等）僅是實(shí)現(xiàn)全局光照的技術(shù)方式之一，當(dāng)前的游戲應(yīng)用了多種技術(shù)方式共同達(dá)成全局光照總體效果的完善和完美。

繪畫運(yùn)用

AO (環(huán)境光遮蔽， Ambient Occlusion) ，基于對(duì)光影的了解，人工繪制AO圖層，畫出雷同3D般的效果，最早由Sam Nielson提出，現(xiàn)在不少大大也用這種方法來畫畫，來學(xué)習(xí)下這種技法的基本步驟吧。