【GAMES104学习笔记】4-渲染引擎

30FPS+ —— runtime级别

about 10FPS —— interactive级别

课程未涉及——卡通渲染、2D渲染引擎、次表面（皮肤材质）、毛发

渲染管线

• 顶点数据Vert

• 三角数据Tri

• 光栅化Rasterization

• 片元Fragment

• 材质作为参数进行片元着色Fragment Shader得到纹理Texture

  包括纹理采样Texture Sampling技术，例如Mipmaps、抗锯齿，处理不好就可能发生走样。

• 输出像素组成的图像

显卡

SIMD

单指令多数据

SIMT

单指令多线程

NVIDIA Fermi架构

• GPC

  图形处理簇(Graphics Processing Cluster)，实现渲染管线（计算-光栅化-着色-纹理）的硬件部分

• SM

  流处理器(Streaming Multiprocessor)，运行CUDA核心的GPU部分

• CUDA Core

  包含浮点、整型单元，并行计算数据

• Texture Units

  纹理单元，获取纹理并对其进行滤波

• Warp

  一组线程

关于GPU的优化策略：

为了减少时延，减少CPU和GPU之间通讯次数，GPU尽可能不要回调CPU。

关注cache效率，谨防纽曼瓶颈（CPU GPU运算够快，缓存速度不够）

一些Bounds（瓶颈）：

内存Bounds, ALU Bounds，TMU（纹理映射单元）Bound，BW（带宽）Bound

可渲染物体Renderable

Mesh Primitive

网格由三角形组成，每个三角形由三个顶点的索引组成。（使用索引节约空间Index Buffer），顶点数据统一由Vertex Buffer管理。

每个顶点Vertex由position, color和normal组成

Materials

• Material Models: Phong模型，PBR(基于物理的渲染)，Burley次表面
• Texture纹理：数据形式呈现
• Shader着色器：一段代码，可以实现上述材质模型

渲染过程

• 通过进行坐标系变换得到屏幕空间坐标

• SubMesh——子网格，一个GO中不同的部分可能使用不同材质（例如头盔、皮肤、服饰、鞋子），这时需要将Mesh切分为多个SubMesh.

• Resource Pool——为了避免不同GO使用同一资源浪费空间，将Mesh,Shader Texture分别放到不同Pool中。然后GO从资源池中引用这些资源，避免了重复存储。GO对这些资源的引用称为Instance实例。

• GPU Batch Rendering——GPU每次Drawcall时尽量将引用资源相同的实例分组在一起进行渲染，可以提高效率。

可见性裁剪Visibility Culling

我们只渲染处于视锥范围内的GO，在范围外的则被裁切。用到的数据结构和算法有BVH和如下一些方式。另外，鼓励使用新的算法和GPU硬件并行实现。

Bound包围体

AABB——世界坐标轴对齐包围盒（只需维护对角线两个端点的世界坐标）

OBB——GO坐标轴对齐包围盒

Convex Hull——凸包

PVS(Potentially Visibility Set) 潜在可见集

从每个Portal（类比于门窗）看去，最多能看到哪些房间？如果只能看到这几个房间，则只需要渲染这几个房间中的物体。

优点：

• 效率远高于BSP和八叉树

• 灵活、兼容性好

• 可以用于预加载资源。

深度

预先计算每个像素待渲染GO的深度，如果同一像素有深度较小和较大的一方同时出现，则深度较大的渲染流程可以被跳过，甚至该GO都不再被渲染。

纹理压缩

传统的图片压缩格式（JPG、PNG）

• 压缩率高
• 随机访问性能差

游戏中的纹理压缩算法：

• 编解码速度快
• 随机访问强
• 压缩率和视觉效果都有保证

常用的纹理压缩算法：

一种经典算法是基于4*4的块进行压缩：

• 先根据明暗度排序
• 记录下最亮和最暗的像素颜色信息
• 压缩后只记录了每个像素的明度级别
• 最后通过最亮和最暗像素的插值来还原颜色

	Modern	Old
PC	BC7	DXTC
Mobile	ASTC	ETC/PVRTC

建模工具软件

• 多面体建模工具——3dsMax MAYA Blender

• 雕刻工具（更为灵活自由）——ZBrush

• 扫描工具

• 程序生成建模工具（结合AI）——Houdini、Unreal

基于簇的模型管线——Cluster-Based Mesh Pipeline

簇是一些三角形的渲染单元。有利于创作者增加细节，是引擎未来主要的发展方向之一。

GPU驱动的渲染管线（2015）

• 网格簇渲染：每次drawcall生成随机数量的网格，GPU每次对簇进行排序，按照簇的边缘进行裁剪

几何渲染管线架构（2021）

渲染单元按如下方式划分：

• Batch: 一次drawcall由多个surfs组成
• Surf: 基于材质的子网格，包含很多clusters
• 每个Cluster由64个三角形组成

UE——Nanite

像素级的网格渲染，基于以下技术实现：

• 带有连续边界的分级LOD(多层次细节，降低不重要GO的细节和面数)
• 无需硬件支持，通过GPU的计算着色器线程（而非任务着色器）预先计算的BVH树实现分级cluster culling

总结

• 游戏引擎设计和硬件架构设计紧密相关
• 子网格常用于带有多个材质的模型
• 使用裁剪算法尽量减少绘制的GO
• GPU快速发展，使得大量工作转向GPU，称之为GPU-Driven

Piccolo引擎源码简介

build好之后，引擎源码均在./build目录下

• PiccoloPreCompile：自动生成，类似于UE的反射机制，自动反射出资源读取方式

• PiccoloShaderCompile：着色器，使用GLSL，编译出来的文件需要单独管理，故单独分层

• PiccoloRuntime：核心层、功能层、平台层、资源层

• PiccoloEditor：编辑器

Asset资产在./engine/asset目录下