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追溯歷史
讓我們把時(shí)間撥回到1992年。當(dāng)時(shí)的CPU處理速度比現(xiàn)在的要慢1000倍，通過(guò)GPU加速當(dāng)時(shí)還未問(wèn)世，而且CPU也是無(wú)法承受的。3D游戲僅在CPU上進(jìn)行計(jì)算，渲染引擎使用單一顏色對(duì)多邊形進(jìn)行渲染填充。
MicroProse于1991年發(fā)布的游戲Gunship 2000
同年NovaLogic也發(fā)布了游戲科曼奇。
NovaLogic于1992年發(fā)布的游戲Comanche
在我看來(lái)，當(dāng)時(shí)這種圖形出來(lái)以后簡(jiǎn)直嘆為觀止，它最起碼提前了3年。用戶可以看到很多的細(xì)節(jié)，比如山脈，甚至山谷的紋理，這是第一次有一個(gè)比較清晰的陰影。當(dāng)然，它是像素化的，但那時(shí)候所有的游戲都是像素化的。
渲染算法
科曼奇使用了一種名為體素空間（Voxel Space）的技術(shù)，它和ray casting是基于同一個(gè)想法。因此，體素空間引擎是2.5D引擎，它不具有規(guī)則的3D引擎提供的所有自由度。。
高度地圖和顏色地圖
高度地圖和顏色圖是表示地形最簡(jiǎn)單的方法。科曼奇使用了1024 * 1024一個(gè)字節(jié)代表了高度地圖，同樣使用了1024 * 1024一個(gè)字節(jié)表示顏色地圖，你可以在這個(gè)網(wǎng)站上下載。這些地圖是周期性：
這樣的地圖將地形限制為“地圖上每個(gè)位置一個(gè)高度” - 因此像建筑物或樹木這樣的復(fù)雜幾何形狀不可能表示出來(lái)。然而，色彩地圖的一大優(yōu)點(diǎn)是，它已經(jīng)包含了色彩和陰影。體素空間引擎只需要顏色，在渲染過(guò)程中不需要計(jì)算光照。
基本算法
對(duì)于3D引擎來(lái)說(shuō)，渲染算法非常簡(jiǎn)單。體素空間引擎負(fù)責(zé)渲染高度地圖和顏色地圖，并繪制垂直線。下圖演示了這種技術(shù)。
清除屏幕。
為了保證遮擋從后面開始并呈現(xiàn)在前面。這被稱為畫家算法。
確定地圖上的線，它對(duì)應(yīng)于與觀察者相同的光距離?？紤]視場(chǎng)和透視投影（物體在更遠(yuǎn)的地方）
光柵線是用來(lái)匹配屏幕的列數(shù)。
從線段對(duì)應(yīng)的二維地圖中檢索高度和顏色。
執(zhí)行高度坐標(biāo)的透視投影。
用透視投影中檢索到的高度畫一條垂直線。
核心算法以最簡(jiǎn)單的形式包含了幾行代碼（python語(yǔ)法）：
def Render（p， height， horizon， scale_height， distance， screen_width， screen_height）：
# Draw from back to the front （high z coordinate to low z coordinate）
for z in range（distance， 1， -1）：
# Find line on map. This calculation corresponds to a field of view of 90°
pleft = Point（-z + p.x， -z + p.y）
pright = Point（ z + p.x， -z + p.y）
# segment the line
dx = （pright.x - pleft.x） / screen_width
# Raster line and draw a vertical line for each segment
for i in range（0， screen_width）：
height_on_screen = （height - heightmap［pleft.x， pleft.y］） / z * scale_height. + horizon
DrawVerticalLine（i， height_on_screen， screen_height， colormap［pleft.x， pleft.y］）
p1eft.x += dx
# Call the render function with the camera parameters：
# position， height， horizon line position，
# scaling factor for the height， the largest distance，
# screen width and the screen height parameter
Render（ Point（0， 0）， 50， 120， 120， 300， 800， 600 ）
1234567891011121314151617181920
添加旋轉(zhuǎn)
按照上面的算法我們只能看到北面。不同的角度需要多行代碼來(lái)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。
def Render（p， phi， height， horizon， scale_height， distance， screen_width， screen_height）：
# precalculate viewing angle parameters
var sinphi = math.sin（phi）;
var cosphi = math.cos（phi）;
# Draw from back to the front （high z coordinate to low z coordinate）
for z in range（distance， 1， -1）：
# Find line on map. This calculation corresponds to a field of view of 90°
pleft = Point（
?。?cosphi*z - sinphi*z） + p.x，
?。?sinphi*z - cosphi*z） + p.y）
pright = Point（
（ cosphi*z - sinphi*z） + p.x，
（-sinphi*z - cosphi*z） + p.y）
# segment the line
dx = （pright.x - pleft.x） / screen_width
dy = （pright.y - pleft.y） / screen_width
# Raster line and draw a vertical line for each segment
for i in range（0， screen_width）：
height_on_screen = （height - heightmap［pleft.x， pleft.y］） / z * scale_height. + horizon
DrawVerticalLine（i， height_on_screen， screen_height， colormap［pleft.x， pleft.y］）
p1eft.x += dx
p1eft.y += dy
# Call the render function with the camera parameters：
# position， viewing angle， height， horizon line position，
# scaling factor for the height， the largest distance，
# screen width and the screen height parameter
Render（ Point（0， 0）， 0， 50， 120， 120， 300， 800， 600 ）
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233
更多的性能說(shuō)明
當(dāng)然，要想達(dá)到更高的性能，還有很多小技巧可以使用。
與從后面到前面繪制相比，從前面到后面進(jìn)行繪制會(huì)更好。優(yōu)點(diǎn)之一就是我們不必每次都因?yàn)檎趽醵枰谄聊坏牡撞慨嬀€。但是，為了保證遮擋，我們需要一個(gè)額外的Y緩沖區(qū)。對(duì)于每一列來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于y的最高位置已經(jīng)存儲(chǔ)了。因?yàn)槲覀兪前凑諒那懊娴胶竺孢@個(gè)順序進(jìn)行繪制的，那么下一行的可見部分只能大于先前繪制的最高行。
詳細(xì)的渲染程度。前面的細(xì)節(jié)渲染多一點(diǎn)，遠(yuǎn)處的細(xì)節(jié)渲染的少一點(diǎn)。
def Render（p， phi， height， horizon， scale_height， distance， screen_width， screen_height）：
# precalculate viewing angle parameters
var sinphi = math.sin（phi）;
var cosphi = math.cos（phi）;
# initialize visibility array. Y position for each column on screen
ybuffer = np.zeros（screen_width）
for i in range（0， screen_width）：
ybuffer［i］ = screen_height
# Draw from front to the back （low z coordinate to high z coordinate）
dz = 1.
z = 1.
while z 《 distance
# Find line on map. This calculation corresponds to a field of view of 90°
pleft = Point（
?。?cosphi*z - sinphi*z） + p.x，
?。?sinphi*z - cosphi*z） + p.y）
pright = Point（
（ cosphi*z - sinphi*z） + p.x，
?。?sinphi*z - cosphi*z） + p.y）
# segment the line
dx = （pright.x - pleft.x） / screen_width
dy = （pright.y - pleft.y） / screen_width
# Raster line and draw a vertical line for each segment
for i in range（0， screen_width）：
height_on_screen = （height - heightmap［pleft.x， pleft.y］） / z * scale_height. + horizon
DrawVerticalLine（i， height_on_screen， ybuffer［i］， colormap［pleft.x， pleft.y］）
if height_on_screen 《 ybuffer［i］：
ybuffer［i］ = heightonscreen
p1eft.x += dx
p1eft.y += dy
# Go to next line and increase step size when you are far away
z += dz
dz += 0.2
# Call the render function with the camera parameters：
# position， viewing angle， height， horizon line position，
# scaling factor for the height， the largest distance，
# screen width and the screen height parameter
Render（ Point（0， 0）， 0， 50， 120， 120， 300， 800， 600 ）
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論