【hotball技術小舖】doom 3的打光系統簡介
(2004-10-21)
陳秉哲】
陰影的產生
經過漫長的等待，id software 終於在今年八月正式推出doom 3。雖然doom 3在遊戲性上，和過去的doom系列遊戲並沒有太大的不同，但是doom 3引擎則是乙個完全不同、全新的設計。doom 3引擎最大的特色，就在於它的打光系統。它結合了完整的陰影和凹凸貼圖，並號稱使用一致的打光模型，對整個場景中的所有物體一視同仁。它產生的效果相當理想，也為3d引擎又設下了乙個新的里程碑。
大家都知道，陰影就是光線沒有照射到的地方。換句話說，如果乙個地方，和光源之間有東西擋住，那它就會在陰影中。從物理的角度來看，其實是剛好相反的：有光線照射到的地方，就會反射光線。因此，它會比沒有被光線照射的地方，要顯得更亮。不管用什麼角度來看，陰影都不是只和某個物體有關，整個場景都會對陰影產生影響。
因此，要在3d繪圖中，產生正確的陰影，就需要考慮到整個場景。這和一般對物體進行打光、著色的動作有很大的差別。一般3d繪圖中，物體的顏色、亮度等等的變化，只和物體本身，以及光源的位置有關係（有時和觀察者的位置也有關係）。它並不會牽扯到其它的物體。因此，它的效果是區域性的。但是，陰影的效果則是整體的，因為隨著光源位置改變，任何物體都有可能遮住另乙個物體，而產生陰影。也因此，要正確地畫出陰影，是乙個相當困難的問題。
障礙物在球體上產生陰影。
使用3d繪圖晶元產生陰影
一般3d繪圖晶元，是針對「區域性」的打光效果設計的。3d晶元上並沒有保留整個場景的三角面資料，它只是對目前送進來的三角面進行著色的動作。因此，在一般的情形下，3d晶元並不能自行判斷出，乙個三角面是否被別的三角面遮住，而使它在陰影中。
不過，雖然如此，3d晶元還是得處理一些「整體性」的工作。最簡單的例子，就是處理隱藏面問題。在進行3d繪圖的時候，離觀察者較近的物體，會遮住較遠的物體。因此，3d晶元需要能判斷出，哪些三角面會被哪些三角面遮住。由於3d晶元並不保留任何三角面的資料，因此，它並不能去檢視之前所畫的三角面是否會遮住目前所畫的三角面。為了解決這個問題，目前的3d晶元，通常是使用z buffer。這樣一來，3d晶元就可以避免以三角面為單位來進行隱藏面的判斷，而是以pixel為單位進行。
可以看出，陰影的問題，和消除隱藏面的問題，其實是十分類似的。如果把觀察者的位置到在光源的位置，把整個場景畫過一次，就可以知道哪些物體是被光源直接照射到的，也就是會反射光線，較亮的物體。相對的，沒有被直接照射到的物體，當然就是在陰影中了。這個方法其實就是shadow map的基本原理。不過，shadow map還有許多麻煩的問題要克服，而且doom 3也不是使用這個方法，因此這裡就不再多做討論。但是shadow map的前景看好，最近推出的3dmark05主要就是使用shadow map來產生陰影。shadow map也有比較簡單的版本，但是它並不能用在整個場景上面。
doom 3使用的是所謂的volumetric shadow，或稱為stencil shadow（因為volumetric shadow通常需要使用到stencil buffer）。volumetric shadow的基本原理，是讓所有的物體「投射」出陰影。被「投射」到的物體，就是在陰影中。相反的，沒有被「投射」到的物體，就是被光源直接照射，會反光的部份。volumetric shadow和shadow map方式最大的不同，是shadow map基本上是由pixel組成，但是volumetric shadow則直接在三角面上進行處理，而不是把物體看成乙個乙個的pixel。
volumetric shadow
volumetric shadow的基本方式，是先找出物體的外框。接著，再從外框延伸出乙個"volume"。這個volume就是陰影的範圍，也可以稱為shadow volume。任何在這個volume內部的pixel，就是在陰影裡面。因此，問題就變成，要如何判斷乙個pixel是否在volume裡面。這就是 stencil buffer發揮作用的地方。
stencil buffer有點類似z buffer，它為每個pixel記錄乙個數字。在畫三角麵時，可以指定要進行某個運算，例如把數字加
一、減一等等。另外，也可以指定在畫三角麵時，只處理stencil數字在某個值的pixel。例如，可以要求只畫在stencil值是0的pixel，其它的pixel則不畫。
volumetric shadow 示意圖。
要利用stencil buffer來判斷哪些pixel在shadow volume中，首先要把每個pixel的stencil值清為0。接著，畫出所有的三角面的shadow volume中，正對著觀察者的部份（上圖的白色部份），同時，把stencil設成「加一」。這樣一來，所有在shadow volume後面的pixel（包括shadow volume裡面），其stencil值都會是正數。接著，再畫出shadow volume中，背對觀察者的部份，但這次把stencil 設成「減一」。這樣一來，在shadow volume後面，但是卻不在shadow volume中的pixel，其stencil值會回到0，但是在shadow volume中的pixel的stencil值則還是正數。這樣一來，就可以用每個pixel的stencil值，來判斷它是否在陰影中了。
雖然volumetric shadow的基本原理就是這樣，但是實際上卻還有很多問題。最明顯的問題，是當觀察者跑到shadow volume裡面的時候，volumetric shadow就會出錯。另外，在3d繪圖時，通常都會設定乙個z clip plane，限制場景繪圖的範圍，但是如果切到shadow volume，則會產生空洞，而造成問題。因此，許多人發展出各種方法，設法解決這些問題。其中，最有效的方法是carmack's reverse，是由id software的john carmack提出的（其中也有許多其他人的貢獻）。這個方法是利用反轉z buffer測試的方式，使觀察者永遠不可能出現在shadow volume裡面。這樣就解決了第乙個問題。第二個問題的解決方法，則可以透過取消遠端的z clip plane來解決，不過這樣可能較缺乏效率。另乙個方法，則是由顯示晶元在硬體上，針對z clip plane進行處理，使shadow volume在z clip plane上可以自動封住shadow volume，使它不會產生空洞。
經過這些改進，volumetric shadow變成乙個相當可靠的方法。由於它是以三角面為基礎，因此它非常精確，不像shadow map等方法會有解析度不足的問題。而且，它並不需要很多特別的硬體支援，只需要stencil buffer。stencil buffer是opengl的標準功能，因此許多3d晶元都有支援。這想必也對id software決定在doom 3中使用volumetric shadow有一定的影響。
不過，volumetric shadow並非全無缺點。它最大的問題，是在繪製shadow volume時，會吃掉大量的fillrate。而且，由於shadow volume是由物體的3d模型的外框所產生的，而要計算外框，就需要處理器進行處理（這個工作並不適合由顯示晶元進行）。這會增加處理器的運算量。它也無法用在利用具有透明區域的貼圖的物體上，有些遊戲使用這樣的貼圖來繪製複雜的物體，像是樹木。最後，voluemtric shadow 產生的陰影都非常銳利，但真實世界中的陰影通常都有些模糊。這是因為真實世界中的光源都不是乙個小點，而是具有某個大小。要使用volumetric shadow產生模糊的陰影，可以用多個靠近的點光源來模擬乙個具有大小的光源，但是這樣當然就會更慢了。這些都是shadow volume的主要問題。
凹凸貼圖
結語doom 3是id software乙個相當大膽的嘗試。id software試圖在doom 3中達到「所有的東西也都產生陰影」的終極目標，因此大量使用了volumetric shadow。另外，幾乎所有的東西都使用凹凸貼圖，其打光效果相當不錯。但是，這也對顯示卡和處理器造成了很大的負擔。由於doom 3本身的遊戲性並不特別出色，因此，其它遊戲公司會不會願意使用doom 3引擎來開發遊戲，就成為doom 3能不能成功的乙個重要關鍵。
另類觀點：什麼是shadow map？
文⊙劉人豪（夜露死苦技術專欄）
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