1、游戏特效研究及实现 本科毕业论文 (科研训练、毕业设计 ) 题 目： 游戏特效研究及实现 姓 名： 学 院：软件学院 系：软件工程 专 业：软件工程 年级： 学 号： 指导教师（校内）： 职称： 指导教师（校外）： 职称： 年 月 日 游戏特效研究及实现 摘 要 随着高科技的突飞猛进，电子游戏（ Electronic Game）电子游戏已经成为一门艺术，继绘画、雕刻、建筑、 音乐、诗歌（文学）、舞蹈、戏剧、电影（影视艺术）之后人类历史上的第九艺术。 电子游戏的最大特征就是参与。它赋予欣赏者（玩者）的参与感要远远超出以往任何一门艺术，因为它使玩者跳出了第三方旁观者的身份限制，从而能够真正融入作品
2、中。而它 在 参与感 的主要表现之一就是 图形特效 方面 。 在硬件水平飞速发展的今天， 特效程序员的工作依然十分重要， 有人说过： 一项技术上的突破可以顶的上一年甚至几年的硬件的发展。 文 章 将结合 时下流行的网络游戏和 本人在游戏公司的实习 ， 来分析 公司购买的游戏引擎中的 一些基本的 游戏特效 实现 ，比如粒子系统，公 告板， 轨迹等， 并 结合美工人员的需求，对引擎提供的特效进行修改 。 之后将介绍微软的 高级着色器语言（ High Level Shader Language，简称 HLSL）， 结合有关资料， 对一些次世代游戏的特效 ，比如水面模拟， 卡通渲染， 动态模糊，景深
3、进行分析 ，最后进行 实现 。 最后将 分析游戏 特效 在视频游戏中的特殊地位，我们作为程序员应该如何去改变这种现状， 以及对未来 游戏特效的一些简单介绍。 关键词 ： 电子游戏 图形特效 高级着色器语言 HLSL 游戏特效研究及实现 Abstract With the rapid development of high-tech， Electronic games has become an art， with painting, sculpture, architecture, music, poetry (Literature), dance, drama, film (Televisi
4、on Arts) in human history after the ninth art The advantange of Electronic games is participation. It gives appreciate the sense of participation far beyond any previous one art. Because it makes playing a third-party bystanders who jumped out the identity of restrictions, which can really integrate
5、 into the works. In the sense of participation and its performance is one of the main aspects of graphical effects. On the hardware level of the rapid development of today, the work of programmers is also very important. It has been said that: a technical breakthrough could be the top of the previou
6、s year or even years of hardware development. The article will combine a popular online games and my companys internship,to analysis some effects of the game to achieve. For example, particle system, bulletin boards, polytrail with clipart staff needs, the engine provided by the effects amended. The
7、n therell be an introduction to High Level Shader Language, With relevant information, For some next-generation gaming effects, such as Surface simulation, cartoon rendering, Motion Blur, depth of field ,to analysis them and fina lly to achieve. Finally, the analysis of the video game effects of the
8、 special status of the game, how should we, as programmers to change the status quo and the future effects of some simple games on. Key word: video games , graphical effects, High Level Shader Language 游戏特效研究及实现 目录 第一章 引言 . 6 1.1 什么是计算机游戏 . 6 1.2 游戏代入感的实现 . 6 1.3 当今视频游戏图像处理的主要技术 DirectX. 7 1.4 游戏特效在
9、网络游戏中的应用 . 8 第二章 游戏特效的研究及改进 . 10 2.1 实习公司游戏基本风格介绍 . 10 2.3 3D 游戏基本特效 . 11 2.3.1 Sprite 公告板 . 11 2.3.2 粒子系统 . 12 2.3.3 尾迹 PolyTrail. 13 2.4 特效的改进 . 14 第三章 基于 HLSL 的特效实现 . 16 3.1 HLSL 介绍 . 16 3.2 高级特效分析及实现 . 20 3.2.1 简单的顶点变换 . 20 3.2.2 卡通渲染 . 20 3.2.3 离屏渲染介绍 . 23 3.2.4 画面扰动 . 24 3.2.5 动态模糊实现 ( Motion
10、Blur ) . 25 3.2.6 景物纵深（ Depth Of Field） . 27 3.2.7 离屏渲染总结 . 30 第四章 总结 . 33 致谢 . 34 参考文献 . 35 游戏特效研究及实现 Contents Chapter 1 Introduction . 6 1.1 the concept of vedio games . 6 1.2 how to make scene real . 6 1.3 the introduction to DirectX . 7 1.4 the use of graphical effects in online-games . 8 Chapte
11、r 2 analysis and improve the graphical effects. 10 2.1 the introduction of graphical effects in Onwind Company . 10 2.3 the basic 3D graphical effects . 11 2.3.1 Sprite . 11 2.3.2 Paticle System . 12 2.3.3 PolyTrail. 13 2.4 Advance the graphical effects . 14 Chapter 3 graphical effects based on HLSL
12、 . 16 3.1 the introduction of HLSL . 16 3.2 analysis and achieve advanced graphical effects . 20 3.2.1 simple vertex change. 20 3.2.2 cartoon rendering . 20 3.2.3 what is offset-render. 23 3.2.4 surface simulation . 24 3.2.5 Motion Blur . 25 3.2.6 Depth Of Field . 27 3.2.7 summury of HLSL . 30 Chapt
13、er 4 Summary . 33 Acknowledgement . 34 References . 35 游戏特效研究及实现 第一章 引言 1.1 什么是 计算机 游戏 从技术角度看，计算机游戏是 ”以计算机为操作平台，通过人机交互实现的，体现当前计算机技术较高水平的一种新形式的娱乐方式“。既然是互动性，就必须给用户强烈的代入感，让玩家有身临其境的感觉，那么游戏的视听感便可以很好地给玩家强烈的代入感。 这里主要涉及到游戏的视觉效果就是我们所说的游戏特效。 1.2 游戏代入感的实现 游戏特效具体说是 利用计算机产生令人赏心悦目的真实感图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光
14、照模型，计算在假想的光源、纹理、材质属性下的光照 明效果 。下面用几个画面的对比来说明特效在游戏中的重要性。 这是 1992 年， 3D Realms 公司 /Apogee 公司 的 德军司令部（ Wolfenstein 3D）， 用 “革命 ”这一极富煽动色彩的词语也无法形容出它在整个电脑游戏发展 史上占据的重要地位。这 图 1.1 德军司令部 画面 部游戏 史上 占据的重要地位。这部游戏开创了第一人称射击游戏的先河，更重要的是，它在 X 轴和 Y 轴的基础上增加了一根 Z 轴，在由宽度和高度构成的平面上增加了一个向前向后的纵深空间，这根 Z 轴对那些看惯了 2D 游戏的玩家造成的巨大冲击可
15、想而知。 下面是目前具有 DX10 最华丽效果的 第一人称射击游戏 的截图，比较一下就知道后者带来的视觉冲击远高于前者 ,让玩家仿佛置身于丛林之间。但是要实现这样逼真华丽的画面效果，却包含了 景深（ Depth Of Field） ,软阴影（ Soft Shadow）高动态光照游戏特效研究及实现 （ High Dynamic Range） ,次表面散射（ SubSurface Scattering） ， 体积云 /雾（ Volumetric Clouds/Fog） ， 体积光（ Volumetric Light） 一系列复杂的技术。 图 1.2 游戏画面 1.3 当今视频游戏图像处理的主要技术
16、 DirectX DirectX 是一种应用程序接口（ API），它可让以 windows 为平台的游戏或多媒体程序获得更高的执行效率，加强 3d 图形和声音效果，并提供设计人员一个共同的硬件驱动标准，让游戏开发者不必为每一品牌的硬件来写不同的驱动程序，也降低用户安装及设置硬件的复杂度 . 而 随着 微软在操作系统上的霸主地位，以及对 DirectX 品质的不断提高 ，尤其是 DirectX 8.0 的推出 ， 它首次引入了 “像素渲染 ”概念，同时具备像素渲染引擎 (Pixel Shader)与顶点渲染引擎 (Vertex Shader)，反映在特效上就是动态光影效果。同硬件 T&L 仅仅实
17、现的固定 光影转换相比， VS 和 PS 单元的灵活性更大，它使 GPU 真正成为了可编程的处理器。这意味着程序员可通过它们实现 3D 场景构建的难度大大降低。通过 VS 和 PS 的渲染，可以很容易的宁造出真实的水面动态波纹光影效果。此时 DirectX 的权威地位终于建成。 如今主要使用的 API还是 DirectX9.0， DirectX 9 中 PS 单元的渲染精度已达到浮点精度，传统的硬件 T&L 单元也被取消。全新的 VertexShader(顶点着色引擎 )编程将比以前复杂得多，新的 VertexShader 标准增加了流程控制，更多的常量，每个程序的着 色指令增加到了游戏特效研
18、究及实现 1024 条。 PS 2.0 具备完全可编程的架构，能对纹理效果即时演算、动态纹理贴图，还不占用显存，理论上对材质贴图的分辨率的精度提高无限多；新的高精度浮点数据规格可以使用多重纹理贴图，可操作的指令数可以任意长，电影级别的显示效果轻而易举的实现。 VS 2.0 通过增加 Vertex 程序的灵活性，新的控制指令，可以用通用的程序代替以前专用的单独着色程序，效率提高许多倍；增加循环操作指令，减少工作时间，提高处理效率；扩展着色指令个数，从 128 个提升到 256 个。 增加对浮点数据的处理功能，以前只能对整 数进行处理，这样提高渲染精度，使最终处理的色彩格式达到电影级别。突破了以前
19、限制 PC 图形图象质量在数学上的精度障碍，它的每条渲染流水线都升级为 128 位浮点颜色 . 而之后的 DirectX 10.0 更是可以使 电影级别的显示效果轻而易举的实现 ， 让游戏程序设计师们更容易更轻松的创造出更漂亮的效果，让程序员编程更容易。 1.4 游戏特效在网络游戏中的应用 随着电脑和互联网的普及，网络游戏逐渐成为游戏市面上的主流，比起电脑 AI 控制的NPC，玩家更愿意和真人进行交互。同样游戏特效的作用也是必不可少的，但是因为要考虑到同屏 人数和网络传输的问题，所以在网络游戏的特效制作中，最重要的不是效果，而是效率，作出的特效无论多华丽，如果不能保证效率，就不能使用。 美国暴
20、雪公司是这方面的佼佼者，高效率的表现出高品质的画面，早期的星际争霸仅用调色板就表现出许多特效，逼真的雾，半透明人物等。 图 1.3 星际争霸游戏画面 游戏特效研究及实现 后期的网络游戏魔兽世界更是如此，在配置很低的 PC 上也可以流畅地进行游戏，这对网络游戏的推广是很有好处的。 而随着网络游戏道具 收费模式的开创，特效也成了每个特殊道具的主要表现之一，玩家会乐此不疲地 在同伴面前炫 耀自己新装备的华丽 ，可见特效对于网络游戏的重要性。如下图， 为了表现这套衣服的特点 ， 运用了 Glow 效果实现 图 1.4 蜀山 online截图 游戏特效研究及实现 第二章 游戏特效的研究及改进 2.1 实
21、习公司游戏基本风格介绍 我所在的公司厦门御风行，采用 Monolith 公司的 Lithtech 引擎 ,历时近 4 年 ,制作的网游 蜀山 ONLINE是 一款仙侠题材网游作品，凭借浓郁的中国风，在被欧美、日韩文化侵蚀多年的游戏市场中竖立国产网络游戏的新形象。 主要采用卡通渲染风格，游戏画面精美，气势磅礴。 图 2.1蜀 山 online 原画 在特效方面自然也十分出众，无论是场景上的特效还是角色的技能特效，都十分炫丽。由于游戏引擎自带了一个特效编辑器，为特效制作带来了很大的便利，但这就意味着特效的制作完全依赖于游戏引擎提供的方法。一旦有了某种限制，就会很难实现美术人员想要的效果。这次便修改了游戏引擎原有的粒子系统，新添了几个新的特效系统，以便美工人员更好地制作特效。
