(中國傳媒大學 北京 100024)

一、研究背景與意義

Unity是一款2005年在蘋果的全球開發(fā)者大會上發(fā)布的游戲引擎，支持跨平臺的2D/3D的開發(fā)，截止到2018年，該引擎已經(jīng)支持了包含Windows、MacOS、任天堂的Switch、安卓、IOS等27個開發(fā)平臺。它具備可視化的交互界面，讓開發(fā)者不需要有非常強大的編程基礎就可以使用，采用了層級化的開發(fā)環(huán)境，提供了非常詳細的屬性編輯器，并且可以在場景中實時動態(tài)的編輯和預覽。它可以根據(jù)項目中的資源自動導入，并且支持資源的熱更新，支持了大部分主流的第三方平臺的建模格式、音頻格式等素材。著色器語言使用了ShaderLab，并且提供了三種類型的著色器供開發(fā)者選擇使用，讓開發(fā)者可以根據(jù)需求靈活的處理?？梢圆捎玫谌教峁┑亩嗳寺?lián)網(wǎng)功能。內(nèi)置了地形編輯器，能夠非常容易的編輯出想要的地形[1]。基于這些特性，開發(fā)者們可以快速的制作出游戲原型或其他應用原型，因而被，被廣泛用于到游戲、工業(yè)、建筑、醫(yī)療、教育等各個領域中。

但由于Unity引擎中原生的攝像機組件，在獲取較大視場角的場景圖像時會對圖像產(chǎn)生較大的變形，這是因為Unity原生的攝像機采用了透視投影的方法，視場角較大時將對圖像產(chǎn)生較大的變形。本文將應用方位等距投影的方式來獲取場景，以消除圖像的變形。

二、相關技術(shù)介紹

(一)Unity中的頂點變換

頂點變換的整體過程如圖2-1所示。

首先從模型空間中的坐標開始，對于每個模型而言，它們的坐標在建模過程中就已被確定。模型空間到世界空間坐標需要使用變換矩陣，通過一定的縮放、旋轉(zhuǎn)、平移操作，將獲得最終的變換矩陣。世界空間將轉(zhuǎn)成觀察空間，需要注意的是Unity中的觀察空間使用的是右手坐標系，所以需要將z軸進行反轉(zhuǎn)。同樣，也需要一個變換矩陣進行坐標的處理。觀察空間到裁剪空間將要使用到投影模型，不同的投影模型將使用不同的變換矩陣。最后將裁剪空間變換到屏幕空間，需要用到齊次除法并獲取到最終的像素位置[2]。

圖 2-1 Unity中頂點變換過程

(二)著色器系統(tǒng)

著色器系統(tǒng)(shader)是一種對圖像進行處理的計算機程序，可以進行顏色、光照、亮度等相關屬性進行修改。一般著色器是利用圖形處理器(Graphics Processing Unit，縮寫為GPU)來進行處理[2]。Unity游戲引擎中包含三類著色器。

第一類是固定功能著色器(Fixed Function Shader)，主要用于低版本顯卡的兼容。第二類是表面著色器(Surface Shader)，由Unity預制了很多光照模型，供開發(fā)者使用。第三類是頂點著色器和片段著色器(Vertex and Fragment Shader)頂點著色器(Vertex Shader)是處理三角面片的頂點，為最終渲染像素做鋪墊的程序

片段著色器(Fragment Shader)又叫像素著色器(Pixel Shader),通過計算”片段”(單獨的像素)的光照、亮度等屬性。片段著色器的輸出可以只有顏色，也可以附加一些例如高光、透明效果等。由于片段著色器可以獲取屏幕的坐標，因而可以將紋理作為輸入，生成更高級的后期特效[3]。

(三)投影

投影是對平面中的點和三維立體空間中的點進行相互轉(zhuǎn)化的一種映射，通過利用數(shù)學方法來將其進行精確的轉(zhuǎn)換。如果投影的表面是一個不能夠完全戰(zhàn)平的曲面，那么轉(zhuǎn)換過程將帶來變形進而造成誤差。但可以根據(jù)使用需求，去縮小相應的誤差，選擇使用不同的投影模型來進行不同的數(shù)學方法，可以得到不同的最終結(jié)果。

由于分類標準的差異，投影模型分為不同的類別：

1.通過構(gòu)成方法，投影模型包含了(1)幾何投影。幾何投影包含了三種投影模型，分別分為方位投影、圓柱投影、圓錐投影等。(2)非幾何投影。

2.通過變形性質(zhì)，投影模型包含了(1)等積投影;(2)等角投影;(3)任意投影

幾何投影模型：幾何投影是將立體空間投影到輔助的投影平面上，再通過展開來變成平面的一種投影方法。幾何投影方法的特點在于，其將立體空間投影到圓錐或者圓柱上，通過將其展開，可以得到投影平面。根據(jù)不同的幾何模型，分為了不同的投影模型，比如圓柱、圓錐、方位等投影。

方位投影模型：方位投影在投影屏幕上由投影中心向各個方向的方位角與真實空間中的相等。可以分為兩大類，分別為透視方位投影和非透視方位投影。透視方位投影由于視點位置的不同，會得到不同的投影，比如正射、球心、球面等投影。而非透視方位投影可以分為三大類，是根據(jù)變形性質(zhì)的不同，有等積、等角、等距投影等。方位投影對于圓形區(qū)域的平面，更具優(yōu)勢。

方位等距投影由德國制圖家麥卡托提出，通過將球體與投影的平面相切，等距離的將經(jīng)緯線投影在平面上。方位等距投影最顯著的特點是在投影平面上到任意一點的距離都是真實的，所以在投影平面中的圓與三維空間中的真實地點是等距離的。不僅如此，從中心出發(fā)的方向也是與三維空間相同的[3]。

本文將使用的投影就是方位等距投影模型。

三、大視場相機設計

本設計采用結(jié)合方位等距投影模型，使用Unity中的腳本和著色器來構(gòu)建一個大視場相機。場景的獲取主要由五個C#腳本和兩個著色器腳本完成，分別為CameraProjector、CPGrabber、CPMasks、CPPartial、CPSetup、CPUtility、ProjecterIncludes、ProjecterShaderCubic。最終通過將CameraProjector腳本掛靠到攝像機上進行調(diào)用。

程序?qū)崿F(xiàn)的主函數(shù)梳理如下：

1.首先調(diào)用Reset函數(shù)中將首先判斷當前場景面向是左眼、右眼或者非立體環(huán)境。之后也會根據(jù)相應的情況，調(diào)用類CPSetup中的Setup函數(shù)完成對于相應相機的初始位置。

2.然后對當前環(huán)境進行檢測，查看是否支持RenderToCubemap這個API，如果支持則進行下一步，并調(diào)用reset函數(shù)，防止腳本并非第一次調(diào)用而未進行初始化；如果不支持否則發(fā)出提示該設備并不支持。

3.然后調(diào)用OnPreCull函數(shù)，該函數(shù)在相機剔除場景之前會被觸發(fā)。相機可見的對象取決于剔除。首先調(diào)用了GrabTextures函數(shù)，然后利用一些變量保存了攝像機的cullingMask;、clearFlags、depthTextureMode等值，并對當前這些值進行清空，為的是在對圖像處理完之后的還原。

4.其中GrabTextures函數(shù)將根據(jù)賦予腳本的參數(shù)計算出后面將要調(diào)用的RenderToCubemap的參數(shù)中的mask，mask是一個二進制數(shù)字，用于確定渲染六個面中的哪些面。并根據(jù)當前是否開啟了VR模式，對左右眼分別調(diào)用了類Grabber中的Render函數(shù)。如果計算過程中出現(xiàn)錯誤信息，則將調(diào)用reset函數(shù)將設置還原。

5.Render函數(shù)將首先調(diào)用類CameraProjector中的ValidateRenderTexture函數(shù)對紋理進行修改，然后調(diào)用RenderToCubemap函數(shù)將，攝像機渲染的圖像渲染到該紋理上。

6.ValidateRenderTexture函數(shù)將設定紋理的類型設置、分辨率、紋理的過濾模式、抗鋸齒模式，然后創(chuàng)建一個新的紋理。

7.RenderToCubemap函數(shù)將利用之前 GrabTextures函數(shù)計算出的mask值來創(chuàng)建一份相應場景的立方體紋理。

8.至此OnPreull函數(shù)調(diào)用完畢。開始調(diào)用OnRenderImage函數(shù)，首先判斷是否設置了背景，然后根據(jù)是否開啟了VR模式，而對類CPGrabber中的Blit函數(shù)進行調(diào)用。

9.在Blit函數(shù)中，首先調(diào)用類CameraProjector中的ValidateMaterial函數(shù)，然后調(diào)用Graphics.Blit。

10.ValidateMaterial函數(shù)將新建一個材質(zhì)，并由類CPUtility中的shaderblitShaderCubic來進行處理，并對其調(diào)用類CPUtility中的函數(shù)對材質(zhì)進行屬性的修改。

11.shaderblitShaderCubic是CameraProjecterShaderCubic文件中定義的shader。該shader在應用了方位等距投影模型。

12.最后回到Blit函數(shù)中，調(diào)用Graphics.Blit，以之前生成的紋理和處理過的材質(zhì)為參數(shù)，將最終的圖像渲染到屏幕上。

其中RenderToCubemap函數(shù)是Unity中一個自帶的內(nèi)部函數(shù)，該函數(shù)首先獲取到當前攝像機拍攝的畫面，并把畫面渲染到指定的貼圖上。該函數(shù)可以傳入兩個參數(shù)，分別為渲染目標的貼圖和渲染的面數(shù)。

核心步驟的偽代碼如下：

新建貼圖紋理：

Texture newTex;

利用RenderToCubemap函數(shù)獲取到相機位置的貼圖：

RenderToCubemap(newTex)

應用方位等距投影：

half3 mapEquidistant(half2 uv)

{

half c=length(uv);

return half3(uv.x*sin(c),-uv.y*sin(c),c*cos(c));

}；

四、實現(xiàn)效果與性能分析

(一)使用過程與實現(xiàn)效果

將該設計賦予到場景中的主攝像機上，并通過設置不同的視場角來獲取不同的圖像。將設計設置完畢之后，通過將攝像機置于一個包含六個相同面的盒子中，進行最終效果的對比，如圖4-1所示，是使用了Unity原生的攝像機獲取的場景圖像。圖4-2是使用了本設計，獲取到了更大視場的場景圖像。

圖 4-1 Unity原攝像機

圖 4-2 使用了本設計的攝像機

(二)性能分析

通過衡量該設計在場景中每秒的幀率，來評估該設計的運行效率。實驗的測試環(huán)境的硬件信息為:處理器是I7-6700HQ@2.60GHz，顯示適配器是NVIDIA GeForce GTX 950M。分別將設計放于含有七十萬面的場景、六十萬面的場景、五十萬面的場景、四十萬面的場景、三十萬面的場景、二十萬面的場景、十萬面的場景、一千面的場景。測試結(jié)果如表4.1和圖4-4所示。

表4.1 不同面數(shù)中的幀率的對比

圖 4-4 幀率對比圖

可以發(fā)現(xiàn)，該設計在不同面數(shù)的場景中的幀率，雖然低于沒有使用該設計的場景，但幀率降低的較小，并且屬于在人眼較為舒適的范圍內(nèi)，因而可以接受。

五、不足與展望

本設計是結(jié)合了方位等距投影模型實現(xiàn)的一個Unity的插件，使用了腳本技術(shù)和著色器技術(shù)來構(gòu)建可以獲得更大視場角的攝像機。然而由于需要對于最終渲染結(jié)果進行處理，所以需要進行較為繁瑣的計算，性能上會有一定的開銷，而本文未對性能方面加以優(yōu)化，未來可以在性能的優(yōu)化上進行進一步的探索。