简易视锥剔除技巧总结

简易视锥剔除技巧总结

1.      背景

视锥剔除可以大大提高3D场景的渲染效率。但随着显卡的发展,CPU上过多的视锥剔除计算可能会消耗过多的时间,从而拖累了整体的渲染速度。同时,在我最近接触到的一些项目中,经常需要做一些比较特殊的场景,通用的视锥平面相乘容易出现误差导致误判,而且在调试的时候比较麻烦。

因此,我在实际编程中喜欢用一些比较简单快速的视锥剔除函数。

 

2.      平面场景

a.       城市场景

利用二维视锥投影代替三维包围盒。

城市场景由于主要是建筑物。这样的场景一般建筑物的高度比较一致,如果采用地表与视锥求交作为剔除的依据,则当镜头仰视时容易把建筑物误剔除,而如果将地表拉高做成立方体与视锥求交作为剔除依据,则比较难确定拉高的高度。

我采用的办法是将视锥投影到地面上,这样就不需要再确定拉高的高度了。在具体剔除的时候,同样可以利用包围球、包围盒之类的方法进行计算,只需要把三维的判断公式改为二维。

 

b.      四叉树组织式的无限规模场景

利用视锥投影包围盒确定根节点。

现在有很多场景的规模是无限或不确定的,这时四叉树如果从整个组织树的根节点开始判断,则有可能造成浪费,甚至有时候无法得知根结点。

我的做法是将视锥投影后的包围盒向上取对数求得一个可以包围视锥的最小四叉树节点,将此节点作为根结点在进行四叉树递归和剔除。

 

3.      其他场景

有时我们需要构造一些其他形状的场景。例如地球等球体。视锥剔除时我首先将视锥假设成为一个90度角的圆锥体(当然也可以改为其他度数),然后按以下的步骤进行剔除。

a.       距离剔除

根据视锥的远近平面可以得到它的可见距离范围。如果被测物体在 此距离外,可直接剔除。当被测物体相对于视锥比较大时,我采用类似于包围球的方法进行简易判断,即物体中心到摄像机的距离减去物体包围球半径所得的值大于视点到视锥远平面的距离,则判断为不可见。

经过此步骤,可以得到以视点为中心的球状场景。我可以用这类方法作为显存加载的依据,因为一般用户在漫游时比较喜欢原地旋转镜头,不大乐意接受旋转时带来的卡帧或者场景空白的效果。

 

b.      背面剔除

物体向量点乘视向量,得出的结果时两个向量长度积乘以cos夹角值之积,当这个值小于0时,表明这个物体在视锥的背面,可以剔除。

如果被测物体相对于视锥比较大,我采用的时取边界点进行判断。如果全部小于0则完全不可见,部分小于0则部分可见。

经过此步骤,理论上可以剔除a步骤后的一半场景对象。

 

c.       视锥夹角剔除

b步骤中物体向量点乘视向量的乘积经过单位化,可以得到两个向量夹角的cos值。当此cos值大于视锥夹角的cos值时,一般为不可见,我的视锥为90度,半角为45度,所以阀值取了0.707

但测物体相对于视锥比较大时,如果只以边界点判断,则有可能将离镜头很近或很大的物体误判为不可见。因为边界点可能全部在视锥夹角范围外,但是物体是可见的。我解决此问题的方法是将各边界点点乘右向量,如果结果有正有负,则说明该物体跨越视锥上向量和视向量组成的平面,因此还是可见的;如果全部为正或全部为负,则说明他们全部在此平面的一侧,为不可见的。

这个判断回将视锥背面同样范围的物体判为可见,因此背面的物体需要现在步骤b中剔除。

经过此步骤,理论上可以剔除b步骤后的一半场景对象。

 

d.      增加插值点判断

如果物体比较不规则,取边界点时不容易取到全部的边界点,因此还是容易造成误判。此时可以再增加一些插值点,按c步骤判断是否在视锥夹角内,如果在的话仍为部分可见。

 

e.       其他判断

考虑到最后的屏幕投影,视锥有可能出现长宽比相差较大,如果需要的话可以在判断时采用更精确的计算。例如采用2个不同方向的仰角分别判断是否在视锥角内。但此加入步骤后视锥判断的时间消耗已经与用4个视锥平面与物体相乘求交的消耗差不多了。

### OSG 中视锥剔除的实现原理 在 OpenSceneGraph (OSG) 中,视锥剔除是一种优化技术,用于减少不必要的渲染操作。它通过判断对象是否位于摄像机的可见区域内来决定是否对其进行渲染。以下是关于其工作方式的具体描述: #### 场景图数据结构中的视锥剔除 OSG 的核心是一个基于场景图的数据结构,在该结构中,节点树负责管理所有的几何体、相机以及光源等资源[^1]。当执行渲染时,OSG 会对每个节点应用一系列空间分区算法,其中包括视锥剔除。 具体来说,视锥剔除的过程如下: - **定义视锥体**:视锥体由摄像机的位置和方向确定,通常表现为一个截头金字塔形状的空间区域。 - **包围盒检测**:对于每一个需要渲染的对象,OSG 计算其轴对齐边界框(AABB)或定向边界框(OBB),并与视锥体进行相交测试。 - **剔除决策**:如果某个对象完全位于视锥体之外,则将其标记为不可见并跳过后续处理;反之则保留下来继续参与渲染管线[^4]。 此过程极大地减少了送入 GPU 进行进一步处理的顶点数量,从而提高了整体性能。 #### 利用蒙版材质模拟视锥剔除 尽管上述机制已经在底层实现了高效的剔除逻辑,但在某些特殊场合下也可以借助高级着色器技巧手动完成类似的觉效果。例如采用 Masked 材质类型可以创建半透明或者镂空的效果,进而达到特定条件下的隐藏目的[^2]。不过需要注意的是这种方式更多适用于艺术表现而非实际效率提升手段。 #### 处理深度缓冲与消隐问题 为了确保正确显示复杂场景中的多个层次关系,还需要特别关注深度缓冲设置及其引发的相关现象——比如近裁剪面(near plane clipping),远裁剪面(far plane clipping)以及可能存在的Z-Fighting等问题。特别是在引入像Skybox这样的全屏背景元素时候尤为明显[^3]。因此调整合适的DepthFunc参数变得至关重要。 ```cpp // 设置深度模板状态描述符示例代码片段 CD3D11_DEPTH_STENCIL_DESC depthStencilDesc; depthStencilDesc.DepthEnable = TRUE; depthStencilDesc.DepthWriteMask = D3D11_DEPTH_WRITE_MASK_ALL; depthStencilDesc.DepthFunc = D3D11_COMPARISON_LESS_EQUAL; // 修改此处以适应不同需求 ``` 以上展示了如何配置DirectX API中的深度比较函数以便更好地支持各种类型的剔除策略。 --- ###
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