【轉載】Deferred Shading

來源：http://www.cnblogs.com/rickerliang/archive/2011/05/07/2040062.html

    Deferred Shading是如今比較流行實時渲染方式，這種渲染方式能把Geometry和Lighting之間的耦合解開，把Forward Shading的Geometry Pass*Lighting Pass複雜度降低爲Geometry Pass+Lighting Pass，特別適合於渲染較多動態光源的場景，本文將快速瀏覽實現Deferred Shading的各個階段，並提供一個帶源代碼的簡單的例子程序，這個程序能夠在SM2.0及以上的硬件上運行，經過dx9接口實現。

    Deferred Shading介紹可參閱《RealTime Rendering》3rd 7.9.二、《GPU Gems2》及《GPU Gems3》。另外，《Deferred Shading Tutorial》提供了詳細的OpenGL實現流程。而網上可找到示例代碼有nVidia SDK 9.52以及Intel的《Deferred Rendering for Current and Future Rendering Pipelines》，網址是http://software.intel.com/en-us/articles/deferred-rendering-for-current-and-future-rendering-pipelines/。

    Deferred Shading可分爲四個階段：Geometry、Lighting、Post-Processing和MergeOutput，其中第三階段可選。各個階段分別輸出到texture，因此，deferred shading將使用到Render To Texture(RTT)及Multiple Render Targets(MRT)。每一個階段及其對應的輸出以下表：

階段	輸出	做用
Geometry	G-Buffer	記錄整個場景的幾何信息例如normal、depth(position)、diffuse color、specular intensity等
Lighting	P-Buffer1	使用G-Buffer信息逐像素計算光照
Post-Processing	P-Buffer2	後處理，例如motion blur、Bloom、Anti-Aliasing等
MergeOutput	BackBuffer	混合以前全部Buffer的數據，輸出到BackBuffer

GeometryStage G-Buffer

    此階段是把場景內全部3D模型的幾何信息都渲染(記錄)到G-Buffer內，G-Buffer的分辨率是屏幕分辨率，以便後續階段進行逐像素渲染。G-Buffer能夠有多個texture，一般，使用MRT在一個Batch內完成這些屬性的渲染。此階段，場景的幾何信息都以texture coordinate的方式插值並投影到G-Buffer上，因此，須要設置好各個space的轉換矩陣。示例程序在此階段輸出normal、depth、diffuse color及specular intensity到G-Buffer。示例程序在view space計算光照，因此這裏輸出的normal是轉換到view space的值。這裏輸出的depth是已轉換到normalized device space，在計算光照時，depth配合project matrix能夠恢復出view space下的座標值。G-Buffer輸出以下圖：

 

 

由上往下分別是normal(view space)、depth、diffuse color、specular intensity。

 

LightingStage P-Buffer1

    此階段使用光照模型、光源位置結合G-Buffer的幾何信息計算G-Buffer上每一個像素的顏色，若是有多個光源，每一個光源執行此階段一次，並把計算結果累積到P-Buffer上。再次提示，示例程序是在view space上計算光照，因此G-Buffer上的depth須要恢復爲view space的position。要理解恢復view space position的過程，先來認識一些概念：

    G-Buffer上的depth是normalized device space，而view space轉換到normalized device space要經過view-->homogeneous-->normalized device，其中，view-->homogeneous經過projection matrix完成；而homogeneous->normalized device則是把4d vector都除以w，而w是view space下的z。projection matrix以下（請注意D3D使用row-major matrix而且使用pre-multipling） ，所以，咱們獲得homogeneous下的z是，除以view space的z就是等於normalized device下的depth。表達是內的z均爲view space下的z，f是far plane，n是near plane。f和n是咱們定義project matrix時指定而且表達式的值咱們知道，因此經過上述表達式，能夠求出view space下的z的值。normalized device space下的xy咱們也知道，分別是texture coordinate的u*2-1及-(v*2-1），這是由於，咱們要把G-Buffer點對點地渲染到P-Buffer上， texture coordinate是[0,1]要轉換到[-1,1]normalized device space的xy區間。想詳細瞭解各個空間轉換及轉換矩陣的推導，可參閱《RealTime Rendering》3rd及《Introduction to 3D Game Programming with DirectX 9.0c—A Shader Approach》。

    當咱們獲得了normalized device space下的xyz以及view space下的z後，有兩種方法能夠回到view space，第一種方法，normalized device space的xyzw(w=1)分別乘以view space的z，回到homogeneous clip space，而後經過projection matrix的inverse matrix(projection matrix並無真正把點投影到平面上，只是轉到homogeneous space，因此這個matrix是invertable的)回到view space；第二種方法，使用projection matrix的(0,0)及(1,1)元素計算出view space的xy值，其中R是aspect ration，a是fovy。示例程序使用第二種方法。

    獲得每一個像素的view space 座標，就能夠作逐像素光照，獲得P-Buffer1，以下圖：

 

Post-Processing P-Buffer2

    示例程序進行了AA及Bloom處理。AA處理使用G-Buffer的normal做爲依據，檢測三角形邊界並決定3x3臨近像素的混合權重，混合輸出中心像素。更有效的Post-Processing AA可參考MLAA及SRAA(後續文章中介紹)。Bloom就是對P-Buffer1進行縱向和橫向模糊。下面是Post-Processing的輸出：

 

 

 

MergeOutput Backbuffer

    這個步驟很簡單，對Post-Processing的輸出進行混合並渲染到Backbuffer上就ok了，下圖就是完整的渲染效果：

 

最後須要說明的是，示例程序使用《Introduction to 3D Game Programming with DirectX 9.0c—A Shader Approach》的框架代碼及紋理。

示例程序源代碼下載：http://files.cnblogs.com/rickerliang/AmbientDiffuseSpecularDemo-DeferredShading.zip

但願本文對想了解Deferred Shading的朋友有幫助。