games104现代游戏引擎学习笔记整理 （04.游戏引擎中的渲染实践）_games104笔记

图形学理论中的渲染：追求高效率，表现力和数学运算的正确性。对硬件的实现关注不多，一般根据需求可以分为以下几种：

Realtime：实时渲染，30FPS以上。

Interactive：可交互渲染，10FPS以上。

offline rendering：离线渲染，对渲染时间没有要求，关键在于表现力。

out- of- core rendering：同上，一般一帧渲染几天都有可能，数据由于过大因此会被离散地存储，一般是电影公司的渲染。

游戏渲染的挑战：

1. 同时要处理的对象是非常多且复杂的。

2. 需要深度适配当代硬件，因此需要对硬件的了解。

3. 游戏中的帧率必须是稳定的，因此在不同复杂程度的场景下的帧率稳定是挑战，游戏中的绘制必须在一个固定的期限里运行成功。

4. 游戏跑在电脑上，因此CPU是不能100%地被使用的（只能吃10%-20%左右）。

Rendering的构成要素：顶点数据，表面数据，材质数据，贴图数据。

渲染代码包括：常量/变量访问，数字运算，纹理取样等。

以其中的纹理采样为例：Texture Sampling（纹理采样）的过程：

     1.每张纹理会存多级纹理。

     2.根据距离取最贴合实际的两级mipmap（分级细化纹理）。

     3.在每张mipmap上进行双线性插值获得中间结果。

     4.在两个中间结果间做线性插值获得最终结果。

GPU是用于解决大量的图形学复杂运算的专门部件。

SIMD:单指令多数据运算，能同时执行多个数据运算。是指令级的，一般需要的是长一些的ALU和寄存器。

SIMT:单指令多线程运算，一条指令能执行更多批的数据运算，一般有多核的运算要求，即是针对多个核的处理器构造的指令，是硬件上的，虽然对硬件要求更高，但是处理量级也远高于SIMD。

（有关两者的区别，可以看这篇:SIMD与SIMT区别 - 知乎）

两者的共同点是一条指令能同时执行多个数据并能分别访问。

 费米架构下的GPU架构：

GPC（Graphics Processing Cluster）：图形处理集群，每个集群中有很多SM（Streaming Multiprocessor）。

SM（Streaming Multiprocessor）：在给定一条指令后，各个SM会同时运算，每个SM都会有一个CUDA核。

CUDA Core：并行处理器，允许数据能并行地被不同处理核处理。

 

核心要点：GPU的结构允许很强大的并行计算操作，且各个核心的计算结果可以互通。

带来的隐患：数据的流动需要消耗一定时间，而数据的来回运输可能会导致游戏引擎的绘制的内容和逻辑不同步。因此在描述底层的绘制逻辑时，一般是固定的单向运输，即由逻辑运向绘制部分就结束了，尽量不要从显卡里往回读数据。

Cache：最快的一层缓存。在几层缓存中存储量最小，数据读取效率最高。因此CacheHit越多，CacheMiss越少，游戏引擎绘制速度越快。

GPU Bounds：现代计算机渲染过程基本是一个流水线过程，若有一个环节卡住了则会影响整体效率。在GPU中，效率最低的环节被称为GPU Bounds。在CPU中也有类似的CPU Bounds存在。

手机，主机，PC等硬件的GPU部分架构都略有不同。在不同平台的硬件上写渲染前，最好先了解它们各自的GPU硬件架构。

Mesh Primitive：基础的mesh（网格）数据表示方式。

VertexData：描述顶点的详细数据，一般单独存在一个数组中。

IndexData：顶点的索引数据，一般用于面片的描述中。

顶点法向需要单独保存的目的：在表面是硬表面（即有一条折线）时，各个面的平均方向不一定是顶点法向（即一个顶点可能存在多个法向），因此需要单独保存。如下图，左图为各个面平均方向得出的法向，右图为正常情况下顶点的法向。这样能有效防止渲染过程中对硬表面的渲染过于平滑。

材质系统：在现代游戏引擎中，物体的物理材质和渲染材质一般是分开的

纹理：是材质的重要表达方式，表示表面哪些部分有哪些特性。

Shader：着色器，属于源码，但是在游戏引擎中会当做数据进行处理。表示物体实际的绘制方式。

渲染过程：物体投影变换（投影到屏幕坐标系）-->加载Mesh，texture，Shader

Submesh：在现代游戏引擎中，一个mesh会根据各部分材质的不同会被切分为不同的子mesh，每个mesh都有各自的shader，material等，但顶点相关的会被存储在父节点的buffer中。下图展示了它们的关系。

Resource Pool：全部的资源会被存在一个Pool中，方便一个Resource的共用。

实例化（Instance）：数据实例的内容可以用Resource Pool里的共用部分。

 

材质排序（Sort by Material）：把整个场景的物体根据材质进行排序，绘制时逐材质进行绘制，这样GPU读取材质的次数会减少，从而能加快绘制速度。

GPU Batch Rendering：一次把所有相同材质的东西都绘制出来。

包围盒：一个包围物体本身的空间，是物体本身模型的一种简化，分为很多种。在碰撞检测和渲染等方面有很大的应用。

 

可见性裁剪（Visibility Culling）：屏幕外的物体可以简化绘制，屏幕内的物体精细绘制。

PVS算法（Potential Visibility Set）：先用BSP树将空间分为很多小方块，在每个空间判断最多能看到几个其它空间，则在这个空间时只渲染这几个空间的内容。（但运算时间很长，现代基本不用这个方法。）

将玩家所在的游戏世界分为不同的zone，通过PVS算法可以对zone的资源加载优化。

现在的Culling一般都由GPU完成。

Texture Compression（纹理压缩）：将图片切成小块进行压缩（Block Compression）的技术。

 可以在切分成小块后，取小块中色值最大和最小的两个部分，其余部分的描述方式变为在这个色值区间上的比例。PC上常用的块压缩算法有DXTC和BC7，这两种算法都能在CPU上实时压缩，且压缩解压缩效率很高。手机上则采用ETC/PVPTC或ASTC算法，分块不会是严格的4*4，不能在运行中压缩。

 建模工具：3D扫描，雕刻（zBrush），几何建模（3Dmax），Procedural Modeling（自动生成网格模型，如Houdini等）

 

现代游戏引擎pipeline：Cluster-Based Mesh Pipeline

核心思想：当面对一个非常精细模型时，会将它分为很多小的大小一致的面片集合，从而方便GPU的渲染处理。

这种管线可以生成无数的细节，并能根据精度改变显示。

总结：

1. 游戏引擎绘制系统深度依赖于现代硬件设计。
2. 游戏引擎中的绘制部分核心要解决的是mesh，材质，模型等之间的关系。
3. 绘制的时候尽可能减少绘制的数据量。
4. 如今越来越多的绘制运算被转移到了GPU。