基于Ogre1.9开发的3D场景编辑器

2016-12-08

相信每个图形程序员都有过开发一款属于自己的3D图形引擎的想法，但现实中这个想法往往如同童年的梦想般遥不可及，因为完成这项任务需要耗费经年累月的时间精力，还需要坚实的技术积累，再者现代游戏引擎，如CryEngine、UnrealEngine等，仅靠一人的努力，只怕穷尽一生也无法实现。本人长期以来一直是图形引擎开发的爱好者，也一直从事相关工作，早在09年大学刚毕业的时候就想独立开发一套场景编辑器，但苦于时间和本身技术条件限制，直到最近才完成了这一夙愿，下面简要介绍个人独立开发的场景编辑器——“无极场景编辑器”，名字取得不好莫笑（(￣▽￣)）。程序的下载链接地址：点击下载
演示视频：
http://www.iqiyi.com/w_19rukbkfr1.html

为什么选择Ogre1.9呢？首先因为Ogre是较为成熟的纯粹的开源3D图形引擎，任何人都可以在网上免费下载其源代码；其次市面上有不少游戏基于Ogre开发，较成功的产品如《天龙八部Online》、《火炬之光》等，因此存在一定的用户基础；再者相对其他引擎个人更加熟悉Ogre。Ogre官方最新版本已经到了2.1，我之前也研究过一阵子Ogre2.1，Ogre2.0以后的版本对Ogre1.x的改动非常大，核心的渲染队列、场景图、材质系统、阴影系统都发生了深刻变化，Ogre2.0以后的版本增强对新图形API（如D3D11、OpenGL 3.0等）的支持，相对之前的版本整体设计更加合理，渲染效率也大大提高，可惜Ogre2.1版本还有部分功能未完善，如hlms(高级材质系统)还有很大的优化空间，PBS(Physically based shading)组件的扩展性也不足，加上Ogre2.1尚未流行，因此暂不使用。这里不想比较各个引擎的优劣，要说功能及画面效果，Unreal、Cry等无疑是行业的佼佼者，可惜这些次世代引擎对团队的要求非常高，无论是程序还是美工，目前国内能够发挥这些引擎80%以上性能的团队只怕还没有，市面上也有不少号称用Unreal开发的游戏产品，可惜大多数这些产品无论画质和游戏性都没能给玩家带来惊喜，更多的用Unreal开发的项目最后以失败告终。因此不能简单根据画面要求来选择引擎，还要根据产品自身定位，更重要的是团队的能力；再者画面效果固然对游戏宣传有极大的帮助，但也绝不是游戏的全部，耗费巨大资源来研发一款基于先进引擎的游戏，往往投入与产出不成正比。另外，如果你对图形引擎的原理有深刻的理解（当然这需要付出多年的努力，起码对于资质平凡的我来说是如此），就会发现图形引擎的整体架构都是差不多的，核心模块无非就是渲染队列、场景图、材质系统、阴影系统、组合器、骨骼动画、粒子系统等，因此选择哪款引擎并不是最关键的。

本场景编辑器仅支持Direct3D11图形API，可能有网友要问那Direct3D 9呢？我这里给的回答可能会引发争论，但也算是为了抛砖引玉吧，如有不同意见望轻喷。因为个人认为相对D3D11，D3D9、OpenGL2.0等API根本是反人类的设计，毫不规范效率奇低，用起来极其繁琐，这些东西的存在当然有它的时代背景，但到现在实在是该被抛弃了。其实游戏公司也不必考虑那些现在还在运行着Windows XP系统的电脑，因为这些电脑本来就不是用来打游戏的。

个人在本编辑器的开发过程中严格遵循模块化设计思想，每个独立功能模块都经过“设计—编码—测试”三个阶段，这样可以尽早发现错误，将开发风险降低到最小范围，从而大大提高整体开发效率。另外，本编辑器使用多种设计模式，如观察者模式、工厂模式等。背景介绍了这么多，接下来我们正式进入正题。

首先我们来看程序界面，界面非常简洁，主要分为：菜单工具区、主面板区、属性面板区、场景渲染区、还有状态栏，如下图所示：

菜单工具区主要包含文件、编辑、以及场景元素创建的相关命令，这些比较简单直白因此不作详细介绍。这里需要详细解释一下“场景元素”这个名词，我将场景中的天空盒、地形、光源、模型等对象抽象为场景元素，天空盒及地形是全局场景元素，而光源(点光源及聚光灯)、模型、水面等属于非全局场景元素，另外还有一个特殊的场景元素，命名为“全局光影”，该全局场景元素包含整个场景的全局光影效果，如全局方向光(一个场景只能有一个方向光)，环境光颜色、是否启用阴影，以及延迟渲染的相关选项等。注意，对于一个场景，一类全局场景元素最多只能有一个。

主面板区域分为三个子面板，分别是场景视图、资源视图以及地形纹理面板，场景视图面板显示当前的场景树，场景树中列出所有的场景元素，如下图所示：

资源视图以树的形式列出Ogre引擎内部管理的所有资源，包括模型、纹理、材质、粒子系统等，可以在资源视图中选中一个模型，然后场景渲染区内点击鼠标左键创建该模型，资源列表如下图所示：

地形纹理视图类似于Windows系统的资源管理器，上面列出当前所有用于刷地表的纹理，地形纹理是一个特别定义的资源组，资源组名必须是“Terrain”,这样资源组下面的所有纹理，都会被自动添加到地形纹理视图中，这里要特别提示，用于刷地表的纹理不要用在场景的其他物体上，比如模型上，否则可能会造成错误，因为地形在调度过程中会释放已加载而当前又不被地表使用的纹理，以免浪费显存资源。如下图所示：

属性面板显示当前选中的场景元素的所有属性，可以在属性面板上编辑修改场景元素的相关属性，如果修改后发现之前的值更合适，我们可以撤销当前的修改，属性面板如下图所示。既然说到撤销，我们知道任何没有“撤销-重做”功能的编辑器都是耍流氓，撤销功能可以说是编辑器里面最复杂的模块之一，而三维图形编辑软件中的撤销更是如此，因为这种类型的编辑软件涉及到太多类型的数据及状态，以及不同的输入编辑窗口，在本人工作经历中遇到过很多同行开发的编辑器，只要随便撤销几步就轻则状态紊乱功能失效，重则内存泄漏程序出错，这是源于没有良好的整体设计及模块设计。本编辑器的撤销系统经过充分测试，几乎所有编辑命令都可以撤销，撤销的步数上限为50步，这一数量可以在代码中任意设定，出于内存占用考虑，这里限定了50步。

在简单介绍程序界面之后，接下来简单讨论创建一个场景。

首先创建一个全局光影，点击菜单“物体->
全局光影”，或者在工具栏中点击

按钮即可创建该元素，可以根据需要修改该元素的属性，例如修改方向光的方向向量，散射光及镜面光颜色，还可以启用阴影等，这里简单说明我所使用的阴影技术，Ogre1.x内部的阴影机制是非常简单粗暴的，也就是落后的纹理阴影投影算法，该算法首先生成阴影纹理，接着绘制场景，最后将阴影投影到场景中可接受阴影的物体上去，需要渲染三遍，毫无疑问，这是非常低效的阴影机制，而且存在近看阴影粗糙模糊的问题。我使用的是PSSM阴影算法，将视景体分为3块，为每个块分配一张阴影纹理，寻常的PSSM算法虽然能解决近看阴影质量的问题，但是无法解决低效的问题，因为需要三张阴影纹理就得渲染场景三遍，我用几何着色器的重复实例来解决这一问题，创建一个包含3张二维纹理的纹理数组，将不同的块中包含的物体的深度值输出到纹理数组中不同的子纹理，这样只需要渲染场景一遍即可得到三张阴影纹理，渲染两遍即可得到阴影效果。另外，几年前的AMD显卡可能不支持几何着色器重复实例这一技术（我个人一直对AMD显卡的驱动程序抱着怀疑的态度的），如果不支持，请不要打开阴影功能。

接下来创建天空盒，点击菜单“物体->天空盒”，或者在工具栏上点击

按钮即可创建该元素，同样创建完后可以设置相关的属性。如下图所示：

现在我们来创建地形，地形的创建分两步：点击菜单“物体->地形->新建地形”，或者点击工具栏

的下拉菜单，即可创建地形场景元素，接着还要创建地形数据，单击菜单“物体->地形->创建数据”，弹出创建地形对话框，如下图所示：

在对话框中需要指定地形名称，以及地形数据的存放路径。“点间距离”参数指定了地形网格中相邻两点之间的水平距离，“最大细节”参数指定了最高的LOD层级，该参数范围为[0,7]，本编辑器使用Geomipmap地形LOD算法，地形由分块组成，“最大细节”参数决定了地形分块在最大细节层级时顶点的数量，假设参数为n，则该数量为2^n + 1，“点间距离”、“最大细节”和纹理的大小共同决定了地表纹理的分辨率，我们以米作为默认长度单位，以我个人的经验，0.1米对应一个纹理像素就能达到非常好的效果，假设地形纹理的大小为256X256，则一张这样的纹理可以对应25.6米X25.6米的地表区域，默认的点间距离0.8米，最大细节为5，0.8X(2^5) = 25.6，刚好满足这一数值。

“横向范围”及“纵向范围”指定了地形的水平空间范围大小。勾选“创建随机高程”选择框可以创建随机地表，也可以根据现有的高度图来创建地形，当高度图的区域小于指定范围时，超出的部分将会置平，默认情况下将会创建一个高度为0的地形平面。如果在弹出对话框之前在地形纹理面板中选择了一张纹理，可以将该选中的纹理作为地表的底层纹理，同时，可以在对话框中设置地形的散射颜色、镜面颜色以及镜面系数。例如，按照上图的设置，我们可以轻易的创建一个简单的随机沙漠地形，效果还挺不错：

如果在地形编辑过程中发现地形范围太大或者太小，不必担心，点击菜单“物体->地形->扩裁地形”，我们可以零成本的扩大和裁剪地形数据范围。

另外需要说明，为了方便编辑地形数据，在编辑器中并不支持地形LOD，需要将场景及地形数据导出之后，使用“无极场景浏览器”载入导出的数据才能看到地形LOD效果。经过几次改版，这个地形算法可以说已经优化到了接近极致的程度，有兴趣的朋友可以自行测试，无论创建多大的地形数据(几十上百公里)，在漫游浏览导出数据的时候也丝毫不会感到调度延迟。

编辑器有两种编辑模式，一种是摆放模式，另一种是地形编辑模式。在摆放模式中，可以选择场景中的物体，修改物体的属性，例如平移、旋转、缩放模型等，在地形编辑模式中可以编辑地形数据，使用工具菜单的“放置”和“地表”菜单项可以切换这两种模式，或者可以使用工具栏上的

按钮来进行切换。

创建好地形数据之后，就要对地形进行编辑，本编辑器集成了地形编辑模块，首先我们编辑地形的几何表面，创建一个默认的平面地形，切换到地形编辑模式，点击菜单“工具->雕刻”，或者点击工具栏上的

按钮，打开雕刻工具窗口，如下图所示：

用户可以选择圆形或者正方形形状工具，例如选择正方形形状之后，地表上绘制的“刷子”就变成方形，如下图所示：

接下来用户可以选择工具，地形雕刻一共支持6种工具，分别为：上升、下降、抓拽、平推、平滑、粗糙，例如下图演示使用上升工具“拔起”一座小山和一个金字塔：

其他工具有兴趣的朋友可以自行测试，都非常简单，工具下面的参数这里也不做解释了，因为解释起来相当费劲，而用户只需简单使用一下就能明白其用途。

接下来我们给地形绘制纹理，点击菜单“工具->绘制”，或者点击工具栏上的

按钮，打开地形绘制工具窗口，如下图所示：

地形绘制工具有三种形状，分别是圆形、正方形、图片画刷，圆形工具绘制圆形区域，方形工具绘制方形区域，图片画刷则根据图片的图案绘制地表。选择需要的形状，设置相关参数，在地形纹理面板中选择想要的纹理，鼠标左键单击地表即可将纹理绘制到工具所在的区域上，如下图所示：

当选择图片画刷时，可以选择不同的图案，如下图所示：

下图是编辑好的山脉，以及绘制纹理之后的效果：

关于绘图工具的其他参数这里也不做详细说明，因为用户只需简单使用就能明白其用途，需要说明的是，一个地表块最多能混合5层纹理(混合5层纹理足以给地表提供任意多的细节了)，超出5层之后，最底层的纹理将会被第一层纹理完全覆盖，从而被丢弃。另外，地形还支持bumpmap，选中一个地形块，在属性面板中设置它的法线贴图。这个地形编辑模块参考了市面上其他地形编辑软件的一些设计。

场景中除了天空、地形，还有各种各样的模型，如树木、石块、房屋等等，我们现在来介绍如何在场景中放置模型。首先将编辑模式切换到放置模式，在资源视图面板中选择想要摆放的模型，在场景渲染区中单击鼠标左键即可创建该模型，如果此时鼠标点击到地表上，则模型自动被放置到鼠标点击到的地表点上，如果平移模型之后想要模型刚好落在地表上，可以按键盘上的“PageDown”键，这样模型就被自动降低或抬升到地面上。如下图：

这时候如果我们发现模型的位置、朝向及大小都不是我们想要的，我们可以使用平移、旋转以及缩放工具来修改这些参数，这几个工具与MAYA中对应的平移、旋转及缩放工具的用法完全相同，事实上我就是照着MAYA的这几个工具来做的（AutoDesk不会来告我侵权吧^_^），也可以在属性面板中直接给这些参数赋值，我们在工具栏上点击

按钮来打开平移工具，点击

打开旋转工具，点击

打开缩放工具，如下图：

当场景中一个模型摆放在不同的位置，有着不同的朝向或缩放倍数时，可以使用复制粘贴功能，也可以批量复制，批量粘贴，这样就省了一个个去创建的麻烦。

室外场景中往往存在池塘、河流、湖泊等水域，场景中添加水面可以大大增加真实感，本编辑器支持添加水面，设置水面的相关属性，点击工具栏上的

按钮，然后在场景渲染区中点击地表(注意一定要有地形才能创建水面，后面会进一步说明)，即可创建水面，如下图：

水面的范围自动与地表计算交叉，例如在地表上挖了一个坑，则水面填充的范围就只在这个坑内，这样设计有很大的好处，如河流的水面只会填满河床，而不会超出河床的范围，这也是为什么必须有地形才能创建水面的原因，现在我们将水面的位置抬高，将坑填满，如下图：

我们还可以设置水面的相关参数，例如水面的颜色、水面的透明度，菲涅尔因数，如下图所示：

虽然我们可以在场景中创建多个水面，但是在同一个可见区域内，尽量不要创建超过一个水面，如果要创建多个尽量确保它们的水面高度相同，因为水面的渲染比较耗时，需要渲染反射图、折射图，如果有不同水面有不同高度，则需要渲染多个反射图，这将大大影响场景渲染效率。注意，目前我仅实现了水面效果，水下效果如扭曲、上帝光线等效果尚未实现。可能有朋友问，如果一个场景没有地形只有水呢？例如海洋，海洋表面的实现其实也差不多，而且实际上相对更简单一些，因为海洋表面不需要做交叉计算，也不需要渲染折射图，利用辐射格子拓扑结构，加上D3D11的嵌饰系统(Hull Shader、Tessellation Shader、Domain Shader)，可以实现很好的海洋表面网格。另外，放置在水面下的物体，其材质需要特殊处理一下，在渲染反射图时，在像素着色器中将处于水面下的像素裁掉，地形材质我已经做了相关处理。水面的模拟可以说是3D场景中最难的效果之一了，为了实现水面效果，我甚至改动了引擎核心的渲染循环，改动渲染系统增加深度纹理的支持，当然我对Ogre引擎代码的改动也不是一处两处地方了，水面渲染还有很多技术细节，这里就不一一探讨了。

现在我们讨论创建一个使用延迟渲染机制的场景，有些场景例如室内场景、洞穴等，使用延迟渲染机制更加合适，因为这些场景往往有多个局部光源，而在多光源的场景中使用ForwardRender显然是不合适的。首先，新建一个空场景，创建“全局光影”场景元素，关闭全局阴影，打开延迟渲染，把全局方向光的散射及镜面颜色调暗，如下图所示：

接着我们创建一个随机地形，如下图所示：

接着创建一个点光源，一个聚光灯，点击工具栏上的

及

按钮分别创建点光源及聚光灯，创建方式与创建水面一致，设置光源的范围及衰减系数，如下图：

我们在聚光灯下放置一个模型，打开延迟渲染阴影(注意该选项仅对聚光灯有效)，如下图：

我们也可以查看延迟渲染中GBuffer的内容，通过切换延迟渲染模式，如下图：

最后在创建完场景后，可以将场景导出，点击工具栏上的

按钮导出场景，注意如果电脑性能较慢，CPU没有空闲时间，导出进度对话框可能要过一会才能弹出来，这时候仅需将相机朝天空上看，减少场景渲染复杂度，让CPU有空闲时间，导出进度对话框就能显示出来了，导出的场景可以在“无极场景浏览器”中载入漫游浏览，导出后的场景的渲染效率将大大提高，内存占用也将大大减少。

通过上面的篇幅，我给大家简单介绍了无极场景编辑器的主要功能，本来我想做一个漂亮的场景展示给大家看，可惜奈何我只是一个程序员，而场景制作需要专业的美工才能完成，我在前面介绍中所用的美术资源，包括模型、纹理，甚至连UI图标都是在网上找的，因此自己制作场景这个想法只能落空了，多少有些遗憾。不过希望将来能有专业的美工人员用本编辑器制作出精美的场景，无论是用于制作游戏场景，或者展示规划方案，毕竟这个编辑器是可以免费使用的。如果大家在使用或测试过程中发现bug，或者有更好的改进建议，我会很高兴收到这样的反馈，因为毕竟这套编辑器从设计到编码到测试都由我自己一人完成，所以难免存在未发现的问题。

场景是游戏世界的基础，一个实用高效的场景编辑器能大大提高游戏开发的效率，场景编辑器可以说是游戏产品的首要生产工具，也是游戏引擎的核心也是难点所在，如果有朋友对我的这套解决方案感兴趣，欢迎与我联系，个人邮箱地址:wangyiuestc2005@163.com，Mr.吴。

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