臺灣博碩士論文加值系統

現今的數位遊戲由於繪圖技術的成熟，不論是模型精細度、動態光影、特效系統等都有顯著的提昇。由其發展趨勢可以察覺，為了增添遊戲內容的變化性與互動性，開始加入程序性技術與物理模擬系統，這樣一來原本靜態的遊戲環境將可以隨著時間、事件或者互動行為的影響而有所改變。

基於上述原因，本研究將結合程序性紋理技術與流體模擬技巧，發展一套處理架構，動態產生賽車遊戲裡水滴與污垢的特效。我們所提出的架構包含二個模組：（1）基本紋理模組（2）向量紋理模組。基本紋理模組，源於程序性紋理的製作概念，將雜訊圖或美術人員製作的基本圖案，透過不同的影像濾鏡加工，製作出符合真實視覺感官的污垢材質。藉此模擬賽車遊戲中，車子於泥濘地形高速行駛時，各種不規則的污垢飛濺並附著於擋風玻璃上的情形。向量紋理模組，則是改善圖學演算式的流體模擬系統，將外力產生的影響，以向量場的形式合成記錄於向量紋理中，接著由此紋理更新基本紋理中的像素資料，模擬出流體流動行為。最後再以混合式的繪圖方法，描繪雨水與污垢夾雜的情形。

透過此動態紋理處理架構，模擬出雨水、污垢遭受雨刷及風力等外力影響時，產生在擋風玻璃上的紋理動畫。藉此提昇玩家遊戲時與場景的連結性與互動性，期盼玩家能夠更身歷其境地遨遊於遊戲世界中，享受遊戲所帶來的樂趣。

Under the advancement of computer graphics, digital games have been improved significantly, in terms of model granularity, dynamic lighting, and special effects. The trend indicates that procedural technology and physical simulation system have been added to increase the variety and interactivity of game content, so that the originally still game environment may be changed according to the impact of time, event or interactive behaviors.

Therefore, this study will combine the procedural texture technology and fluid simulation skills to develop a set of processing structures to dynamically produce the effects of water droplets and dirt in the auto racing game. The proposed structures include two modules: (1) the basic texture module; and (2) the vector texture module. The basic texture module is originated from the procedural texture production concept, it will process the noise map or basic patterns prepared by artists with image filters to create dirt material that is consistent with real visual senses. This is applied to simulate the splashing effect of dirt with various irregularities when the car is racing fast in muddy game scenarios. The vector texture module is a fluid simulation system. It combines and records the impact in the form of vector filed in the vector texture, which then updates the pixel data in the basic texture to simulate the fluid behavior. Finally, the mixed type of graphic methods is employed to depict the effect of the mingling of rain and dirt.

This dynamic texture processing structure is applied to simulate the texture dynamics of rain and dirt on the windshield glass in racing games under the considerations of wipers and wind, to enhance the reality in racing games.

封面頁 i
書名頁 ii
中文摘要 iii
英文摘要 iv
誌謝 v
目錄 vi
圖目錄 viii


第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 3
第二章 文獻探討 6
2.1 三維繪圖流程 6
2.1.1 三維繪圖流程概述 6
2.1.2 小結 11
2.2 著色技術 12
2.2.1 可程式化技術 12
2.2.2 著色語言 18
2.2.3 小結 19
2.3 程序性紋理 20
2.3.1 程序性紋理的特性與應用 20
2.3.2 程序性紋理的相關技術探討 24
2.3.3 小結 31
2.4 流體模擬 32
2.4.1 流體力學 32
2.4.2 圖學演算系統 36
2.4.3 小結 44
第三章 賽車遊戲之水滴與污垢特效 45
3.1 系統架構 45
3.2 基本紋理的演算與製作 46
3.3 向量紋理的演算與合成 47
3.4 流體模擬 48
3.5 繪圖 49
3.6 流體特性與作品規劃 49
第四章 系統實作 50
4.1 基本紋理製作 50
4.1.1 水與污垢的紋理產生 50
4.1.2 彩色化（Colorize） 51
4.1.3 變形（Warp） 53
4.1.4 動態模糊（Motion Blur） 54
4.2 向量紋理合成 55
4.2.1 向量紋理合成流程 55
4.2.2 合成重力與風力 55
4.2.3 合成雨刷外力 57
4.2.4 擾動向量紋理 59
4.3 流體模擬 60
4.3.1 水的流體模擬 60
4.3.2 泥水混合的流體模擬 64
4.4 繪圖 66
4.4.1 繪圖流程 66
4.4.2 高度圖轉成法向量圖 66
4.4.3 Fresnel Effect 67
4.4.4 Phong-Blinn Shading Model 71
4.4.5 混色 74
4.5 實作結果 76
4.6 實作結果與現有案例的比較分析 88
4.6.1 現有案例分析 88
4.6.2 小結 91
第五章 結論與建議 92
5.1 結論 92
5.2 研究建議與未來發展 93
參考文獻 94

[1] Alexander Goldberg , et al. "Anisotropic noise", ACM Transactions on Graphics （TOG）, 27（3） , Aug 2008.
[2] Batty, M, et al., " Urban systems as cellular automata", Environment and Planning B: Planning and Design, 24（2）, pp. 159-305, 1997.
[3] Bill Fleming, 3D Photorealism Toolkit, John Wiley & Sons Inc, 1998.
[4] Bill Mark. and John Hart., Texturing & Modeling: A Procedural Approach（Third Edition）, Baker & Taylor Books, 2002.
[5] Bui Tuong Phong., "Illumination for computer-generated images ", University of Utah, 1973.
[6] Gouraud, H., "Continuous Shading of Curved Surfaces, " IEEE Transactions on Computers, Vol.20, No.6, pp. 622-628. June 1971.
[7] Ines Stuppacher. and Peter Supan, " Rendering of Water Drops in Real-Time", Spring Conference on Computer Graphics （SCCG）, 2007.
[8] Kris Gray, Microsoft DirectX 9 Programmable Graphics Pipeline, Microsoft Pr, 2003.
[9] Lefebvre Sylvain, "Drops of Water and Texture Sprites", Shader X2: Shader Programming Tips & Tricks with DirectX 9, Wolfgang F. Engel editors. p.190-206. Wordware Publishing, 2003.
[10] Mark Carlson, et al., "Melting and Flowing", In: Proceedings of the 2002 ACM SIGGRAPH/Eurographics symposium on Computer animation[C], 167-174, 2002.
[11] Randima Fernando and Mark J. Kilgard, The Cg Tutorial, Addison-Wesley, 2003.
[12] Randima Fernando, GPU Gems, Addison-Wesley, 2004.
[13] Richmond Paul, "Real Time droplet Animation on a Glass Pane", University of Sheffield, Bachelor Thesis, 2005.
[14] Robert L. Cook. and Tony DeRose, " Wavelet noise" , ACM Transactions on Graphics （TOG） , 24（3）, pp. 803-811, 2005.
[15] Tomas Akenine-Möller , et al., Real-Time Rendering （Third Edition）, A.K. Peters Ltd, 2008.
[16] Tomas Akenine-Möller and Eric Haines, Real-Time Rendering （Second Edition）, A.K. Peters Ltd, 2002.
[17] Tomas Akenine-Möller and Eric Haines, Real-Time Rendering, A.K. Peters Ltd, 1999.
[18] Wolfgang Heidrich. and Hans-Peter Seidel , "Realistic, hardware-accelerated shading and lighting", In Computer Graphics （SIGGRAPH ''99 Proceedings） , pp. 171 - 178 , 1999.
[19 ] Daniel Dalmau，大師談遊戲程式設計：核心技術與演算法，范濬綸等譯，上奇科技，民國93年。
[20] Dante Treglia，遊戲程式設計精華III，張磊等譯，�眳p出版社，民國94年。
[21] Frank D. Luna，3D遊戲程式設計入門：使用DirectX 9.0實作，黃聖峰譯，博碩文化，民國93年。
[22] Isaac V. Kerlow，3D電腦動畫及數位特效 （第三版），余為政等譯，全華科技，民國95年。
[23] Kris Gray，Direct X 9 3D 圖形特效程式設計，陳忠侯譯，文魁資訊，民國93年。
[24] Mark DeLoura，遊戲程式設計精華II，袁國忠等譯，�眳p出版社，民國94年。
[25] 彭國倫，3D繪圖程式設計-使用Direct3D 10/9與OpenGL 2.0，�眳p出版社，民國98年。
[26] 廖宏祥，「有效率的動態雲層顯像技術」，國立交通大學，碩士論文，民國90年。
[27] 廖旋宇，「頂點著色和像素著色在三維即時繪圖環境中之研究及演算法應用」，國立臺灣藝術大學，碩士論文，民國92年。
[28] 柳有权等，「基于物理的流体模拟动画综述」，計算機輔助設計與圖形學學報，17卷12期，2581∼2589頁，民國94年12月。
[29] 黃襄安，「以影像為基礎的植物生長過程推演手法」，暨南國際大學，碩士論文，民國94年。
[30] 黃真真，「現代碎形觀－美國新表現繪畫體現之社會心理」，臺南藝術學院，碩士論文，民國87年。
[31]黃奕豪，「以毛髮模擬系統表現海水動畫」，國立臺灣藝術大學，碩士論文，民國95年。
[32] 紀明德，「在點取樣幾何物體上以多層次筆觸構成的三維非相片寫實繪圖即時顯像系統」，國立成功大學，碩士論文，民國91年。
[33] 謝寶泰，「「碎形」宜成為基礎設計課程之要項」，教育、文化、科技論文集，164∼169頁，民國89。
[34] 徐磊，「虛擬物件與實拍影像合成之擬真因素探討」，2008數位內容學術研討會，217∼228頁，桃園， 12月26日。
[35] 張力仁，「實景合成3D元素之研究創作」，國立臺灣藝術大學，碩士論文，民國93年。
[36] 張君毅，「使用替代面板技術輔助即時群體著色」，國立臺灣藝術大學，碩士論文，民國95年。
[37] 張俊偉，「流水中波濺之即時繪製技術」，國立清華大學，碩士論文，民國95年。
[38 ]張岑瑤，「碎形幾何理論於視覺傳達設計之應用與創作研究-以包裝設計為例」，中原大學，碩士論文，民國89年。
[39] 章耀勳，「程序式表面瑕疵合成之研究：金屬鏽蝕的模擬與描繪」，國立交通大學，碩士論文，民國90年。
[40] 阮昭維，「基於多層次精細度之預先計算輻射轉換」，國立交通大學，碩士論文，民國95年。
[41] 楊忠諭，「運用浮雕貼圖簡化幾何模型之研究」，大同大學，碩士論文，民國96年。
[42] 楊舒凱，3D繪圖核心技術導引，�眳p出版社，民國94年。
[43] 吳冠雄，「傳統人物描繪技術應用於寫實CG頭像製作之研究」，國立臺灣藝術大學，碩士論文，民國96年。
[44] .theprodukkt. （2004）. .kkrieger. http://www.theprodukkt.com/
[45] Allegorithmic. （2003）. MapZone. http://www.mapzoneeditor.com/
[46] Bizarre Creations. （2007）. Project Gotham Racing 4. http://www.bizarrecreations.com/games/pgr4/
[47] Bungie / Microsoft. （2007）. Halo 3. http://halo.xbox.com/halo3/
[48] Codemasters. （2009）. Dirt2. http://www.dirt2game.com/
[49] Crytek. （2008）. Crysis Warhead. http://crysiswarhead.ea.com/
[50] Epic Games. （2008）. Gears of War. http://gearsofwar.xbox.com/AgeGate.htm
[51] Microsoft. DirectX. http://msdn.microsoft.com/en-us/directx/default.aspx
[52] Microsoft. HLSL. http://msdn.microsoft.com/en-us/library/bb509561（VS.85）.aspx
[53] nVidia Developer. CG. http://developer.nvidia.com/page/cg_main.html
[54] Nvidia. （2008）. HLSL Blood Shader & Gravity Maps. http://developer.download.nvidia.com/SDK/9.5/Samples/DEMOS/Direct3D9/src/HLSL_BloodShader/docs/HLSL_BloodShader.pdf
[55] OpenGL ARB. GLSL. http://www.opengl.org/documentation/glsl/
[56] OpenGL ARB. OpenGL. http://www.opengl.org/
[57] Premium Agency. （2008）. 四季庭. http://www.jp.playstation.com/scej/title/shikitei/
[58] SCEE Studio Liverpool. （2006）. Formula One Championship Edition. http://www.jp.playstation.com/scej/title/f1c/
[59] Simbin Studios.（2009）.Race Pro. http://www.simbin.se/
[60] 經濟部工業局. （2004）. 全球數位產業內容趨勢分析. http://www.nmipo.org.tw/image/DC/3.pdf
[61] 吳文成. 碎形幾何內涵與 Logo 程式繪圖. http://www.digiarts.org.tw/