詳解如何利用最新OpenGL ES 3.0技術演示生動貓咪

實現實時圖形毛皮效果歷來難度較大。最新桌面技術使用了Direct3D 11曲面細分(tessellation)技術才創建出飛奔中的小貓動態皮毛的效果。

在移動平臺上，由于性能受限，開發人員必須要顯著降低內存帶寬。為了完成這些圖形效果，移動設備的解析度正與桌面系統越相當甚至超過桌面系統。

基于PowerVR Rogue GPU的貓咪演示

盡管如此，我們近期所做的OpenGL ES 3.0可愛貓咪演示表明，使用最新 PowerVR Series6 GPU，可能在移動設備上實時呈現生動的貓毛效果。最新演示的運行速度>30fps，解析度大于PowerVR Rogue GPU驅動的全高清。

可愛貓咪共由近20萬個三角形渲染而成

這只小貓毛茸茸，在歐式鄉間小屋內頑皮地追逐激光指示筆。

技術特點

該演示利用了OpenGL ES 3.0 變換反饋和實例渲染在移動系統上制成貓毛效果。

貓和環境都采用了基于物理的渲染模式，將軟性陰影投射在貓和環境周圍。實時照亮貓的外形;但是環境使用的是預計算的紋理貼圖。在轉換反饋通路中執行角色動畫，貓的基礎網格是在影響各個頂點的12骨架上加上貓皮。利用實例渲染和殼體紋理渲染輸出效果，創建毛皮效果。

應用變換反饋中可以使應用程序計算一次網格中貓蒙皮后的位置，然后再次使用各個殼體的位置。結合這個實例輸出必須轉換至GPU，在頂點著色器中計算殼體偏移。各個頂點骨架計算啟動實時模型中維持的大量細部，但需要使用Uniform Buffer Object(OpenGL ES 3.0新版本)，將所有數據傳輸至變換反饋著色器。

使用OpenGL ES 3.0的兩個功能變換反饋和實例渲染繪制的貓咪

為在演示中增加流行文化元素，箱子后面的肖像是物理學家薛定諤，其著名的思想實驗是按照量子理論證明疊加原理。

貓模型的線框圖

開發過程中遇到的挑戰

我們先啟動了在移動系統中制作貓咪殼體毛皮效果的實驗。其中所需的大量混合是很多移動圖像架構的巨大挑戰，盡管如此，我們仍打算證明在執行大量的阿爾法混合時，PowerVR Series6 GPU 可維持高性能。

初步演示的圖形

經過初步概念驗證實驗后，我們確信我們可以創建在一個模型上創建令人信服的靜態毛皮效果。我們開始策劃圍繞動畫貓的場景。集成毛皮和卡通貓的特性是難度較大的技術挑戰。

使用基本的動畫模型，我們開始開發一些優化技術來渲染帶毛皮的動畫角色。在這個階段使用變換反饋和實例渲染來優化整個開發設計。

最終采用的動畫模型是最初為離線渲染設計的模型，因此需要進行高面多邊形計算。這個動畫在各個頂點采用大量的骨架執行蒙皮。我們很快發現，建立在各個頂點采用4個骨架蒙皮是不夠的，原因是這會造成貓尾部和背部畸形。為了解決這個問題，我們將模型與動畫數據隔離，創建自定義各個頂點12骨架蒙皮系統。

經實驗創建這個系統面臨數個方面的挑戰：從建模程序包中導出數據，以自定義存儲格式保存，將這個數據加載到演示，利用網格數據重新整合這些數據，然后應用執行蒙皮。同時我們還要處理場景，利用預計算的光照圖為四處走動的貓創建舒適的環境

上圖顯示最終貓模型的前期版本，在最終場景上我們把所設置反光地板上的基本光照移除了。

在執行每頂點12骨架系統時所出現的一些問題，尤其是在原有網格中重新集成動畫數據時。這段開發部分被戲稱為 “多邊形集合階段”

當蒙皮系統完成后，我們能夠繼續開發其他部分的演示，增加功能，如激光筆、線框模式和慢動作系統。靜態場景處理得很順利，在演示結束時增加天空景色增加了更自然的感覺。

最終場景內的窗戶

另外的挑戰是為貓補光。為了將貓與預計算場景整合在一起，我們最終決定利用BRDF (雙向反射分布函數)渲染貓的毛皮 。我們還投射小貓所處位置的軟陰影，這個陰影與整體陰影融為一體。

執行中期開發的同事提出了一個演示名稱，但最終未被采用。

渲染順序

可以按照一些過程構建場景。利用變換反饋，必須對高多邊形貓網格蒙皮一次，隨后的位置可以用于陰影傳遞、各個殼體和皮毛傳遞。胡須是在我們認為需要對整體場景細部進行添加時最后添加的。

查看利用高級OpenGL ES 3.0功能制作貓咪圖形演示

最終演示已經進行了數月，我們對結果很滿意。

2014年移動世界大會上我們進行了首次演示，反響強烈。在2014GDC、 SIGGRAPH 2014 和其他主要會議上也進行了演示。