遊戲引擎中的光照算法

時間 2019-11-10

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前言

今天咱們來聊一下游戲引擎中的光照算法，從最開始的Forward Render,到後來的Deferred Render再到後面的Clustered Forward Render以及Clustered Deferred Render，分析一下實現步驟以及它們的優缺點。html

Forward Render

這個是最傳統的方法，對於多光源的處理比較有限，它的基本算法以下所示：算法

通常遊戲引擎爲了減小批次和處理光照的次數，會讓每一個物體受影響的光源有個上限好比3個或者4個，並且通常是在一個shader裏面直接處理多個光源的狀況。這個在最開始的遊戲引擎中比較常見。目前基本上只會使用在移動平臺上。好比Unity和UE4移動平臺的低配版本都是這樣的。ide

Deferred Shading

隨着遊戲中支持光源的數量愈來愈多，傳統的Forward Render已經不能知足遊戲的需求，Deferred Shading應運而生，這個技術基本上是從Deferred shading in S.T.A.L.K.E.R. 進入你們的視野的。基本思路以下圖所示：wordpress

基本上GBuffe的內容大致如上圖所示，固然目前大多數引擎爲了支持多材質一個會有一個字節用於寫入Material ID或者Shading Model ID(UE4)來區分不一樣的着色模型。性能

Tiled Deferred Shading

Tile Deferred Shading就是在Deferred Shading基礎上按必定像素大小分塊（好比32x32），計算每一塊中光源的數量，這樣咱們能夠對多個光源計算光照只讀取一次GBuffer信息，節省了帶寬。優化

Deferred Lighting

Cryengine3早期版本中使用過該技術，大致算法以下圖所示：spa

這個算法跟Deferred Shading差很少，目前基本上沒有引擎再使用這個方法。.net

Forward Plus Shading（Tiled Forward Rendering）

Forward+ Rendering最初是從AMD的論文Forward+: Bringing Deferred Lighting to the Next Level開始流行起來的。基本算法以下圖所示：3d

Clustered Forward Rendering

在Forward+ Rendering的基礎上又沿着相機深度的方向切了不少片。htm

Clustered Deferred Rendering

Clustered Forward Rendering也便是在Tiled Deferred Rendering的基礎上又沿着相機深度的方向上進行了切片。

切片算法

總結

到這裏咱們把基本的光照算法都講一遍了，讀者能夠看到上面的這些光照算法無非就是下面的幾種組合：Forward/Deferred + (Tiled/Clustered)?，這裏?表明0或1。演進過程是這樣的，最開始只有傳統的Forward Rendering，爲了解決多光源的問題，引入了Deferred Rendering，帶來了不少好處，包括各類後期效果。可是帶寬是個問題，因而出現了Forward Plus(Tiled) Rendering解決帶寬問題，也就有了Tiled Deferred Shading，可是還能夠進一步優化，那就是在Tile的基礎上再切片，因而就有了Clustered Forward Rendering和Clustered Deferred Rendering。下面咱們列個簡單的表格來對比下他們的優缺點。

光照算法	優勢	缺點
Forward Rendering	實現最簡單。 MSAA和透明渲染都能正常工做。帶寬消耗小。	對大規模點光源支持很差。對各類須要深度和法線的後期處理算法不友好。
Deferred Shading	支持大規模點光源。對各類須要深度和法線的後期處理算法很友好。	帶寬消耗大。 MSAA和透明渲染支持不友好。顯存消耗大。
Forward+ Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工做。帶寬消耗小。支持大規模光源。	對各類須要深度和法線的後期處理算法不友好。強制須要一個Pre-Z Pass
Tiled Deferred Shading	支持大規模點光源對各類須要深度和法線的後期處理算法很友好。相對Deferred Shading帶寬消耗在光源計算的時候會減小。	帶寬消耗大 MSAA和透明渲染支持不友好。顯存消耗大。
Clustered Forward Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工做。帶寬消耗小。支持大規模光源。相對Forward+ Rendering在光源多的時候會有效率提高。	對各類須要深度和法線的後期處理算法不友好。強制須要一個Pre-Z Pass
Clustered Deferred Shading	支持大規模點光源對各類須要深度和法線的後期處理算法很友好。相對Deferred Shading帶寬消耗在光源計算的時候會減小。相對Tiled Deferred Rendering在光源不少的狀況下會有性能提高。	一、帶寬消耗大二、MSAA和透明渲染支持不友好。三、顯存消耗大。

從上表能夠看出，這些算法的優缺點基本就是Forward/Deferred以及Tiled/Clustered優缺點的組合。

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光照算法	優勢	缺點
Forward Rendering	實現最簡單。 MSAA和透明渲染都能正常工做。帶寬消耗小。	對大規模點光源支持很差。對各類須要深度和法線的後期處理算法不友好。
Deferred Shading	支持大規模點光源。對各類須要深度和法線的後期處理算法很友好。	帶寬消耗大。 MSAA和透明渲染支持不友好。顯存消耗大。
Forward+ Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工做。帶寬消耗小。支持大規模光源。	對各類須要深度和法線的後期處理算法不友好。強制須要一個Pre-Z Pass
Tiled Deferred Shading	支持大規模點光源對各類須要深度和法線的後期處理算法很友好。相對Deferred Shading帶寬消耗在光源計算的時候會減小。	帶寬消耗大 MSAA和透明渲染支持不友好。顯存消耗大。
Clustered Forward Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工做。帶寬消耗小。支持大規模光源。相對Forward+ Rendering在光源多的時候會有效率提高。	對各類須要深度和法線的後期處理算法不友好。強制須要一個Pre-Z Pass
Clustered Deferred Shading	支持大規模點光源對各類須要深度和法線的後期處理算法很友好。相對Deferred Shading帶寬消耗在光源計算的時候會減小。相對Tiled Deferred Rendering在光源不少的狀況下會有性能提高。	一、帶寬消耗大二、MSAA和透明渲染支持不友好。三、顯存消耗大。