3D 引擎 Irrlicht -- Irrlicht 3D 学习笔记

Posted on January 6, 2021 (珠海)
Irrlicht 图形学

雾效

雾的类型 E_FOG_TYPE

EFT_FOG_EXP ：简单渲染在屏幕上显示的雾的模式。它无法给予我们非常漂亮的雾的效果，但是却可以在古老的电脑上工作的很好。
EFT_FOG_EXP2 ：比 EXP 衰减更快，将渲染全屏幕的雾，能给予场景更深的效果。
EFT_FOG_LINEAR ：这是最好的雾的渲染模式，对象在雾中消隐的很好。

创建雾

driver->setFog(video::SColor(0,138,125,81), // color
               video::EFT_FOG_LINEAR, // fog type
               0, // start
               500, // end
               0.005f, // density
               true, // pixel fog
               false // range fog
);

The object must has the fog flag enabled in its material.

水效

注意，按下面的方式创建水的特效，必须要设置光照，同时创建 device 时，device 的 type 最好不要用 EDT_SOFTWARE，用这种 type，会影响水效。

创建水面的 mesh

mesh = smgr->addHillPlaneMesh("myHill", // name
            core::dimension2d<f32>(20,20), // tile Size
            core::dimension2d<u32>(40,40), // tile Count
            0, // material
            0, // hill Height
            core::dimension2d<f32>(0,0), // There will be countHills.X hills along the X axis and countHills.Y
                                         // along the Y axis. So in total there will be countHills.X * countHills.Y hills.
            core::dimension2d<f32>(10,10) // texture Repeat Count
);

mesh 纹理

利用上面的 mesh，创建一个水面的 node，并为 node 设置两层纹理，一层做为水表，一层做为水底物体透明纹理。

node = smgr->addWaterSurfaceSceneNode(mesh->getMesh(0), // mesh
                    3.0f, // waveHeight
                    300.0f, // waveSpeed
                    30.0f // waveLength
);
node->setPosition(core::vector3df(0,7,0));
node->setMaterialTexture(0, driver->getTexture("../../media/stones.jpg"));
node->setMaterialTexture(1, driver->getTexture("../../media/water.jpg"));
node->setMaterialType(video::EMT_REFLECTION_2_LAYER);

制作环绕的灯光

用公告板与一个动态光结合实现一个动态灯光。

公告板是什么？ A billboard is like a 3d sprite: A 2d element, which always looks to the camera.

制作一个动态灯

scene::ISceneNode* node = smgr->addLightSceneNode(0, // parent
                                core::vector3df(0,0,0), // position
                                video::SColorf(1.0f, 0.6f, 0.7f, 1.0f), // color
                                800.0f); // radius
scene::ISceneNodeAnimator* anim = 0;
anim = smgr->createFlyCircleAnimator(core::vector3df(0,150,0), 250.0f);
node->addAnimator(anim);
anim->drop();

制作公告板

制作公告板，并将公告板的 parent 设为动态灯，这样公告板便可以有灯光一起动。

node = smgr->addBillboardSceneNode(node, // parent
                                   core::dimension2d<f32>(50, 50) // size
); // position relative to its parent is (0, 0, 0)
node->setMaterialFlag(video::EMF_LIGHTING, false);
node->setMaterialType(video::EMT_TRANSPARENT_ADD_COLOR);
node->setMaterialTexture(0, driver->getTexture("../../media/particlewhite.bmp"));

进一步为动态灯增加例子系统

创建粒子节点，并将其 parent 设为公告板，以便粒子系统更随公告板一起动。

scene::IParticleSystemSceneNode * ps =smgr->addParticleSystemSceneNode (false, node);

创建粒子发射器，粒子发射器有多种，这里使用的是 box 发射器。

scene::IParticleEmitter * em = ps->createBoxEmitter(
            core::aabbox3d<f32>(-3,0,-3,3,1,3), // emitter size the box
            core::vector3df(0.0f,0.06f,0.0f), // initial direction and speed
            80, // Minimal amount of particles emitted per second
            100, // Maximal amount of particles emitted per second
            video::SColor(0,255,255,255), // Minimal initial start color of a particle
            video::SColor(0,255,255,255), // Maximal initial start color of a particle
            800, 2000, // min and max age,
            0, //angle
            core::dimension2df(10.f,10.f), // min size
            core::dimension2df(20.f,20.f) // max size
);
ps->setEmitter(em); // this grabs the emitter
em->drop(); // so we can drop it here without deleting it

创建粒子淡出效果，粒子系统有很多效果，如 GravityAffector，利用这种效果可实现下雨，下雪的效果，这里使用的是淡出的效果。

scene::IParticleAffector* paf = ps->createFadeOutParticleAffector();
ps->addAffector(paf); // same goes for the affector
paf->drop();

为粒子系统设置其他参数。

ps->setPosition(core::vector3df(-70,60,40));
ps->setScale(core::vector3df(2,2,2));
ps->setMaterialFlag(video::EMF_LIGHTING, false);
ps->setMaterialFlag(video::EMF_ZWRITE_ENABLE, false);
ps->setMaterialTexture(0, driver->getTexture("../../media/fire.bmp"));
ps->setMaterialType(video::EMT_TRANSPARENT_VERTEX_ALPHA);

Render To Texture

Render to Texture 渲染到纹理：普通的图形渲染流程中，最终结果是渲染到帧缓存中，最后显示到屏幕上，现在可以利用 FBO 等技术，把图像渲染到纹理中，然后可以把纹理继续应用到场景绘制中，比如渲染一个场景 A 到纹理中，在另一个场景 B 的一个电视屏幕上把刚才的纹理贴上去，就像是在播放 A 一样，再比如各种镜子中的景象也是一样道理，阴影图（ shadow mapping ）也算是运用了 RTT。随着 GPU 的发展，RTT 还可以有更多的应用，让用户更深入的参与到渲染流程中。（摘自石头的笔记）

创建一个纹理对象，作为 render target。

rt = driver->addRenderTargetTexture(core::dimension2d<u32>(256,256), "RTT1");

将其设置为一个 node 的 texture。

test->setMaterialTexture(0, rt);

在绘制之前设置 render target。

driver->setRenderTarget(rt, true, true, video::SColor(0,0,0,255));

进行 render，此次 render 是将照相机看到的场景 render 到目标纹理上，即 rtsmgr->drawAll(); 一般情况下，需要设置两个照相机，一个是用于用户空间，一个用于纹理映射。同时在 render 时，进行两次 render，第一次将用于纹理映射的相机设为活动摄像机，把场景 render 到 texture 上，第二次将用户空间摄像机设为活动摄像机，将整个场景 render 到帧缓冲区，并显示到屏幕上。

设置动态阴影

创建 device 时，打开缓冲区

IrrlichtDevice *device =
createDevice( video::EDT_OPENGL, dimension2d<u32>(640, 480), 16, false, TRUE, false, 0);

创建物体

mesh = smgr->getMesh("../../media/dwarf.x");
scene::IAnimatedMeshSceneNode* anode = 0;
anode = smgr->addAnimatedMeshSceneNode(mesh);
anode->setPosition(core::vector3df(-50,20,-60));
anode->setAnimationSpeed(15);

为物体设置阴影

// add shadow
anode->addShadowVolumeSceneNode();
smgr->setShadowColor(video::SColor(150,0,0,0));
anode->setScale(core::vector3df(2,2,2));
anode->setMaterialFlag(video::EMF_NORMALIZE_NORMALS, true);

利用灰度图创建地形

创建地形

创建地形：

scene::ITerrainSceneNode* terrain = smgr->addTerrainSceneNode(
        "../../media/terrain-heightmap.bmp", // 高度图的文件名称
        0, // parent node
        -1, // node id
        core::vector3df(0.f, 0.f, 0.f), // position
        core::vector3df(0.f, 0.f, 0.f), // rotation
        core::vector3df(40.f, 4.4f, 40.f), // scale // 对地形进行放大
        video::SColor ( 255, 255, 255, 255 ), // vertexColor
        5, // maxLOD LOD (levels of detail)
        scene::ETPS_17, // patchSize 地形块大小
        4 // smoothFactor
);
terrain->setMaterialFlag(video::EMF_LIGHTING, false);
terrain->setMaterialTexture(0,
    driver->getTexture("../../media/terrain-texture.jpg"));
terrain->setMaterialTexture(1,
    driver->getTexture("../../media/detailmap3.jpg"));
terrain->setMaterialType(video::EMT_DETAIL_MAP);
terrain->scaleTexture(1.0f, 20.0f); // 第一层纹理保持不变，第二层纹理放大 20 倍

LOD 技术

LOD 技术在不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。该技术通常对每一原始多面体模型建立几个不同逼近精度的几何模型。与原模型相比，每个模型均保留了一定层次细节。在绘制时，根据不同的标准选择适当的层次模型来表示物体。

灰度图

灰度是指黑白图像中点的亮度值，8 位灰度范围一般从 0 到 255，白色为 255，黑色为 0，故黑白图片也称灰度图像，在医学、图像识别领域有很广泛的用途。 DPI 指每英寸点数，描述输出或扫描分辨率，不是灰度值本身。

任何颜色都有红、绿、蓝三原色组成，假如原来某点的颜色为 RGB(R, G, B)，那么，我们可以通过下面几种方法，将其转换为灰度：

浮点算法：Gray=R*0.3+G*0.59+B*0.11
整数方法：Gray=(R*30+G*59+B*11)/100
移位方法：Gray=(R*28+G*151+B*77)>>8
平均值法：Gray=(R+G+B)/3
仅取绿色：Gray=G

通过上述任一种方法求得 Gray 后，将原来的 RGB(R,G,B) 中的 R,G,B 统一用 Gray 替换，形成新的颜色 RGB(Gray,Gray,Gray)，用它替换原来的 RGB(R,G,B) 就是灰度图了。

几种贴图映射

法线贴图

Material type：EMT_NORMAL_MAP_SOLID

法线贴图根据这个参数作为光照模型亮度计算时候的参数。

采用色彩通道存储法线向量

法线贴图的生成过程

视差映射

Material type：EMT_PARALLAX_MAP_SOLID

Parallax Mapping

作为实现 bump map 的技术之一，Parallax Mapping（视差映射）的目的同样也是让平坦表面实现凹凸效果。和 Normal Mapping 相比，Parallax Mapping 能实现更加真实和强烈的凹凸感。

凹凸映射

凹凸映射和纹理映射非常相似。然而，纹理映射是把颜色加到多边形上，而凹凸映射是把粗糙信息加到多边形上。凹凸映射 Bump Mapping

纹理映射

经典的 Shading 技术

经典的着色插值方式通常区分为 Flat Shading、Gouraud Shading 和 Phong Shading；Lambert 则是漫反射光照模型，不等同于 Flat Shading。

Flat Shading ：最简单的一种方式，在面片所依赖的顶点中选择其中一个作为整个面片的颜色，这种方式计算最快，但显示出的效果也最为粗糙，在视觉上面片与面片之间的边界过渡很突兀。
Gouraud Shading ：首先计算出面片所依赖的顶点的颜色，然后根据面片上的位置对几个顶点的颜色进行插值计算所得，这种方法很好的提升了现实的效果，面片之间过渡相对自然。
Phong Shading ：并不首先计算出各个顶点的颜色，而是直接根据面片上像素的位置对顶点的法线进行插值，然后根据插值所得的法线，依次计算面片上每个点的颜色，这样的计算更加精确，即使在面片很少的模型上颜色的表现和过渡也更平稳，当然所需的计算时间也相对要多些。

其实 Gouraud Shading 和 Phong Shading 分别接近我们常说的逐顶点光照和逐像素光照，只不过那个是从 Shader 流程上区分并命名的而已，原理则是分别来自这两种不同的 Shading 方式的。

Refs

[1] irrlicht 学习笔记 (6.21-6.24) – zj

参考资料快照

本文短链接：
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