游戏引擎中的光照算法

时间 2019-11-10

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前言

今天咱们来聊一下游戏引擎中的光照算法，从最开始的Forward Render,到后来的Deferred Render再到后面的Clustered Forward Render以及Clustered Deferred Render，分析一下实现步骤以及它们的优缺点。html

Forward Render

这个是最传统的方法，对于多光源的处理比较有限，它的基本算法以下所示：算法

通常游戏引擎为了减小批次和处理光照的次数，会让每一个物体受影响的光源有个上限好比3个或者4个，并且通常是在一个shader里面直接处理多个光源的状况。这个在最开始的游戏引擎中比较常见。目前基本上只会使用在移动平台上。好比Unity和UE4移动平台的低配版本都是这样的。ide

Deferred Shading

随着游戏中支持光源的数量愈来愈多，传统的Forward Render已经不能知足游戏的需求，Deferred Shading应运而生，这个技术基本上是从Deferred shading in S.T.A.L.K.E.R. 进入你们的视野的。基本思路以下图所示：wordpress

基本上GBuffe的内容大致如上图所示，固然目前大多数引擎为了支持多材质一个会有一个字节用于写入Material ID或者Shading Model ID(UE4)来区分不一样的着色模型。性能

Tiled Deferred Shading

Tile Deferred Shading就是在Deferred Shading基础上按必定像素大小分块（好比32x32），计算每一块中光源的数量，这样咱们能够对多个光源计算光照只读取一次GBuffer信息，节省了带宽。优化

Deferred Lighting

Cryengine3早期版本中使用过该技术，大致算法以下图所示：spa

这个算法跟Deferred Shading差很少，目前基本上没有引擎再使用这个方法。.net

Forward Plus Shading（Tiled Forward Rendering）

Forward+ Rendering最初是从AMD的论文Forward+: Bringing Deferred Lighting to the Next Level开始流行起来的。基本算法以下图所示：3d

Clustered Forward Rendering

在Forward+ Rendering的基础上又沿着相机深度的方向切了不少片。htm

Clustered Deferred Rendering

Clustered Forward Rendering也便是在Tiled Deferred Rendering的基础上又沿着相机深度的方向上进行了切片。

切片算法

总结

到这里咱们把基本的光照算法都讲一遍了，读者能够看到上面的这些光照算法无非就是下面的几种组合：Forward/Deferred + (Tiled/Clustered)?，这里?表明0或1。演进过程是这样的，最开始只有传统的Forward Rendering，为了解决多光源的问题，引入了Deferred Rendering，带来了不少好处，包括各类后期效果。可是带宽是个问题，因而出现了Forward Plus(Tiled) Rendering解决带宽问题，也就有了Tiled Deferred Shading，可是还能够进一步优化，那就是在Tile的基础上再切片，因而就有了Clustered Forward Rendering和Clustered Deferred Rendering。下面咱们列个简单的表格来对比下他们的优缺点。

光照算法	优势	缺点
Forward Rendering	实现最简单。 MSAA和透明渲染都能正常工做。带宽消耗小。	对大规模点光源支持很差。对各类须要深度和法线的后期处理算法不友好。
Deferred Shading	支持大规模点光源。对各类须要深度和法线的后期处理算法很友好。	带宽消耗大。 MSAA和透明渲染支持不友好。显存消耗大。
Forward+ Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工做。带宽消耗小。支持大规模光源。	对各类须要深度和法线的后期处理算法不友好。强制须要一个Pre-Z Pass
Tiled Deferred Shading	支持大规模点光源对各类须要深度和法线的后期处理算法很友好。相对Deferred Shading带宽消耗在光源计算的时候会减小。	带宽消耗大 MSAA和透明渲染支持不友好。显存消耗大。
Clustered Forward Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工做。带宽消耗小。支持大规模光源。相对Forward+ Rendering在光源多的时候会有效率提高。	对各类须要深度和法线的后期处理算法不友好。强制须要一个Pre-Z Pass
Clustered Deferred Shading	支持大规模点光源对各类须要深度和法线的后期处理算法很友好。相对Deferred Shading带宽消耗在光源计算的时候会减小。相对Tiled Deferred Rendering在光源不少的状况下会有性能提高。	一、带宽消耗大二、MSAA和透明渲染支持不友好。三、显存消耗大。

从上表能够看出，这些算法的优缺点基本就是Forward/Deferred以及Tiled/Clustered优缺点的组合。

光照算法	优势	缺点
Forward Rendering	实现最简单。 MSAA和透明渲染都能正常工做。带宽消耗小。	对大规模点光源支持很差。对各类须要深度和法线的后期处理算法不友好。
Deferred Shading	支持大规模点光源。对各类须要深度和法线的后期处理算法很友好。	带宽消耗大。 MSAA和透明渲染支持不友好。显存消耗大。
Forward+ Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工做。带宽消耗小。支持大规模光源。	对各类须要深度和法线的后期处理算法不友好。强制须要一个Pre-Z Pass
Tiled Deferred Shading	支持大规模点光源对各类须要深度和法线的后期处理算法很友好。相对Deferred Shading带宽消耗在光源计算的时候会减小。	带宽消耗大 MSAA和透明渲染支持不友好。显存消耗大。
Clustered Forward Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工做。带宽消耗小。支持大规模光源。相对Forward+ Rendering在光源多的时候会有效率提高。	对各类须要深度和法线的后期处理算法不友好。强制须要一个Pre-Z Pass
Clustered Deferred Shading	支持大规模点光源对各类须要深度和法线的后期处理算法很友好。相对Deferred Shading带宽消耗在光源计算的时候会减小。相对Tiled Deferred Rendering在光源不少的状况下会有性能提高。	一、带宽消耗大二、MSAA和透明渲染支持不友好。三、显存消耗大。