遊戲引擎中的光照演算法
前言
今天我們來聊一下游戲引擎中的光照演算法，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。
Forward Render
這個是最傳統的方法，對於多光源的處理比較有限，它的基本演算法如下所示：
一般遊戲引擎為了減少批次和處理光照的次數，會讓每個物體受影響的光源有個上限比如3個或者4個，而且一般是在一個shader裡面直接處理多個光源的情況。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。比如Unity和UE4移動平臺的低配版本都是這樣的。
Deferred Shading
隨著遊戲中支援光源的數量越來越多，傳統的Forward Render已經不能滿足遊戲的需求，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. 進入大家的視野的。基本思路如下圖所示：
基本上GBuffe的內容大體如上圖所示，當然目前大多數引擎為了支援多材質一個會有一個位元組用於寫入Material ID或者Shading Model ID(UE4)來區分不同的著色模型。
Tiled Deferred Shading
Tile Deferred Shading就是在Deferred Shading基礎上按一定畫素大小分塊（比如32x32），計算每一塊中光源的數量，這樣我們可以對多個光源計算光照只讀取一次GBuffer資訊，節省了頻寬。
Deferred Lighting
Cryengine3早期版本中使用過該技術，大體演算法如下圖所示：
這個演算法跟Deferred Shading差不多，目前基本上沒有引擎再使用這個方法。
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。基本演算法如下圖所示：
Clustered Forward Rendering
在Forward+ Rendering的基礎上又沿著相機深度的方向切了很多片。
Clustered Deferred Rendering
Clustered Forward Rendering也即是在Tiled Deferred Rendering的基礎上又沿著相機深度的方向上進行了切片。
切片演算法
總結
到這裡我們把基本的光照演算法都講一遍了，讀者可以看到上面的這些光照演算法無非就是下面的幾種組合：Forward/Deferred + (Tiled/Clustered)?，這裡?代表0或1。演進過程是這樣的，最開始只有傳統的Forward Rendering，為了解決多光源的問題，引入了Deferred Rendering，帶來了很多好處，包括各種後期效果。但是頻寬是個問題，於是出現了Forward Plus(Tiled) Rendering解決頻寬問題，也就有了Tiled Deferred Shading，但是還可以進一步優化，那就是在Tile的基礎上再切片，於是就有了Clustered Forward Rendering和Clustered Deferred Rendering。下面我們列個簡單的表格來對比下他們的優缺點。
| 光照演算法 |
優點 |
缺點 |
| Forward Rendering |
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| Deferred Shading |
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| Forward+ Rendering |
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| Tiled Deferred Shading |
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| Clustered Forward Rendering |
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| Clustered Deferred Shading |
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1、頻寬消耗大 2、MSAA和透明渲染支援不友好。 3、視訊記憶體消耗大。 |
從上表可以看出，這些演算法的優缺點基本就是Forward/Deferred以及Tiled/Clustered優缺點的組合。
參考文章
- http://download.nvidia.com/developer/presentations/2004/6800_Leagues/6800_Leagues_Deferred_Shading.pdf
- https://www.slideshare.net/guest11b095/a-bit-more-deferred-cry-engine3
- https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems2/gpugems2_chapter09.html
- http://www.yosoygames.com.ar/wp/2016/11/clustered-forward-vs-deferred-shading/
- https://www.gdcvault.com/play/1014915/Lighting-in-Crysis
- https://pydonzallaz.wordpress.com/2013/08/23/gdc-europe-2013-shining-the-light-on-crysis-3/
- https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems2/gpugems2_chapter09.html
- https://takahiroharada.files.wordpress.com/2015/04/forward_plus.pdf
- https://www.3dgep.com/forward-plus/
- https://www.slideshare.net/takahiroharada/forward-34779335
- http://www.cse.chalmers.se/~uffe/clustered_shading_preprint.pdf
- http://www.humus.name/Articles/PracticalClusteredShading.pdf
- Forward+: A Step Toward Film-Style Shading in Real Time -- GPU Pro 4
- https://www.gdcvault.com/play/1025420/Cluster-Forward-Rendering-and-Anti
- http://www.dice.se/wp-content/uploads/2014/12/GDC11_DX11inBF3_Public.pdf