替身与深度精灵

替身

• 物体存在处不透明，其余完全透明。用途：小静态杂物、快速渲染远处物体（相比最低 LOD 模型不会丢失形状和颜色信息，图像分辨率可匹配显示）、近处但移动时始终以同一面朝向观察者的物体。
• 生成：相机对准物体包围盒中心，替身矩形正对视点，大小为包围盒投影的最小外接矩形；alpha 清 0，绘制物体处写 1。之后作为视点朝向公告板使用。
• 何时更新：相机或物体移动会放大纹理分辨率、破坏幻觉。Schaufler 与 Stürzlinger 给出启发式。Forsyth 的实践：靠近观察者或鼠标的物体更新更频繁；动态物体预处理求动画中任一顶点的最大位移 $d$，$\Delta=d/\text{frames}$，替身 $n$ 帧未更新时把 $\Delta\cdot n$ 投影到图像平面，超过用户阈值就更新。
• 替身没有厚度，与真实几何结合时会出问题；Forsyth 建议沿视线把纹理投影到物体包围盒上，给它一点几何存在感。常见策略：物体移动时渲染几何，静止时切换到替身。
• 多部件替身 (polypostor, Kavan 等)：人物每个肢体和躯干各一个替身，在纯替身与纯几何间折中。Beacco 等综述了人群渲染中的各种替身技术及优劣。

公告板云 (Billboard Clouds)

• 替身必须一直面向观察者，远处物体改变朝向就得重算。Décoret 等用一小组相互重叠的镂空公告板表示复杂模型，还可加法线/位移贴图和不同材质。平面可以相交，镂空可以任意复杂。
• 树木：从数万三角形的模型可生成不到一百个纹理四边形（书中例子 20,610 个三角形 → 78 个公告板）。
• 代价：过度绘制 (overdraw) 很大；相交镂空无法严格从后往前排序，质量受影响；alpha to coverage 有帮助。SpeedTree 等改用由 alpha 纹理叶片和枝条组成的大网格，几何处理更多但过度绘制更少，总体更划算。也可用体积纹理按垂直视线的层渲染。

深度精灵 (Depth Sprite / Nailboard)

• 替身纹理加一个每像素 $\Delta$ 通道成为 RGBΔ 纹理，$\Delta$ 存从精灵矩形到真实几何深度的偏差，即视空间高度场。像素着色器逐像素修改 z 深度，因此在矩形穿入附近几何时也能正确融合，优于替身（书中对比：2 位与 8 位深度偏差）。
• Shade 等用扭曲适应新视点，并提出分层深度图像 (LDI)：每像素多个深度，避免扭曲时因去遮挡（隐藏区域变可见）产生空洞；Chang 等用层次 LDI 树控制采样率。

浮雕纹理与相关方法

• 浮雕纹理映射 (Oliveira 等)：带高度场的图像表示表面真实位置；不放在公告板上，而是固定在世界空间四边形上，一组接缝匹配的浮雕纹理可定义物体；用 GPU 光线步进渲染（见视差贴图）。
• Policarpo 与 Oliveira 在一个四边形上用多张高度场纹理依次渲染：如同注塑件可由两个半模（两个高度场）表示，更复杂的模型需要更多；所需高度场数等于该视角下任一像素重叠表面的最大数目。可做编织表面等复杂细节。
• 浮雕替身 (Beacco 等，人群)：为模型生成颜色、法线和高度场纹理，关联到盒子的各面，渲染时光线步进找可见表面；每个刚体部分（骨骼）一个盒子以支持动画，假设角色在远处所以不做蒙皮；纹理化也便于降低 LOD。

几何图像 (Geometry Images)

Gu 等把不规则网格变换成存储位置值的正方形图像，图像本身就是规则网格（相邻四纹素构成两个三角形）。生成过程复杂，但关键是它可以 mipmap，各 mip 级就是更简化的模型，模糊了顶点与纹素、网格与图像的界线。也被用于带特征保持映射的地形以表现悬垂。

取舍小结

GPU Gems 的视角：真替身 True Impostors（GPU Gems 3 第 21 章）

来源：Eric Risser《True Impostors》；摘录 Chapter 21. True Impostors — Eric Risser。接在上文公告板/深度精灵之后：用浮雕射线求交把整物体 thrash 进朝向相机的四边形。

四通道纹理存最多四层高度场（可扩展）。顶点把 UV 扩成三维帧并绕物体中心旋转；片元沿视射线在纹理空间切片求交。不透明：射线行进 + 二分（同 视差贴图 浮雕族）。半透明：逐层解析求交、折射、累加穿越距离得透光。填充率决定细节，天然 LOD；CPU 按深度排序广告牌以免过度绘制。适合大量简单重复物（小行星环、碎石），不适合每帧变形的复杂角色。