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概覽：游戲引擎中的渲染系統(tǒng)

• 游戲渲染面臨的挑戰(zhàn)

  1. 渲染量大、算法復雜、all in one
  2. 對于不同硬件顯卡的適配和優(yōu)化
  3. 實時性（60fps、120fps）和分辨率（1080p、4K、8K）要求
  4. CPU帶寬和內(nèi)存限制（游戲邏輯、網(wǎng)絡、動畫物理等都是CPU處理的）

• 這塊是一個實踐性、工程性知識（與純理論相對），因此技術更新?lián)Q代非?？?/p>

四個課時概覽

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一，渲染管線流程

流程參照101和圖形基礎

二，了解GPU

SIMD 和 SIMT

• 單指令多數(shù)據(jù)SIMD（Single Instruction Multiple Data）運算，對多個數(shù)據(jù)同時進行同一種運算（指令級并行），一般用于矩陣計算
• 單指令多線程SIMT（Single Instruction Multiple Threads）運算，多線程處理運算（相當于GPU多線程版SIMD），GPU的線程數(shù)是比CPU多得多，因此處理簡單計算快

GPU 架構

• GPU上的運算是分到一個個的流式多核處理器SM（Streaming Multiprocessor）里計算的，SM用于運行CUDA（并行處理器）。計算時不僅可以并行，相互間還可以交換數(shù)據(jù)（硬件加速），這是現(xiàn)代GPU最重要的架構
• 最先進的引擎一直在更新，比如逐漸能夠使用compute shader、mesh shader等等；以及一些優(yōu)化比如Tile-Based，這些都跟硬件架構息息相關，如果能先了解下顯卡硬件的工作原理，有助于學習這些后續(xù)知識~（藝術家也一樣）
  

CPU到GPU的數(shù)據(jù)傳輸

• 現(xiàn)代引擎中一般繪制和邏輯是不同步的，但如果某幀繪制需要邏輯運算的數(shù)據(jù)時，就可能出現(xiàn)不同步的延遲。并且CPU與GPU之間的數(shù)據(jù)傳輸非常慢，因此默認原則：盡可能用CPU->GPU的單向傳輸，而不從GPU讀取數(shù)據(jù)。
• 緩存（Cache）效率在GPU中非常重要，如果計算時要加載數(shù)據(jù)不在緩存里，就會出現(xiàn)Cache miss（讀取到時Cache miss）情況，這時候如果想去內(nèi)存讀取，甚至會花費一百多個時間周期，處理效率大大降低

GPU性能限制

1. 內(nèi)存瓶頸Memory Bounds
2. 算術邏輯單元ALU Bounds
3. 紋理貼圖單元TMU(Texture Mapping Unit) Bound
4. 帶寬瓶頸BW(Bandwidth) Bound

三，可見性

Renderable可渲染對象

• Mesh：儲存每個點的位置、法線、uv、權重等和三角形的點索引
• Materials：經(jīng)典模型Phong Model、PBR Model等
• Texture：有時候比材質(zhì)還要重要
• Shaders：shader在引擎中不算是源碼，而是“數(shù)據(jù)”；shader graph連連看
• SubMesh：Mesh根據(jù)材質(zhì)不同分為不同子網(wǎng)格，即SubMesh

提高渲染效率

• 多個模型的多個submesh重復了怎么提高效率呢？
  1. 可以建立一個資源池（Resource Pool），將同一種資源儲存到統(tǒng)一的資源池中，并建立緩存；
  2. Instance（實例化）相當于先定義一個物體的Renderable，然后再將該數(shù)據(jù)實例化并渲染
  3. 游戲中相同材質(zhì)的submesh，也可以把場景物體按照材質(zhì)排序，把相同材質(zhì)的物體group到一起，然后只需設置一次材質(zhì)（減少GPU等待數(shù)據(jù)）；再進一步GPU Barch Rendering可以在一次drawcall里一次性設置并渲染大量同材質(zhì)物體

Visibility Culling 可見性裁剪

• 基礎原理是通過包圍盒判斷，優(yōu)化用BVH Culling之類的算法（尤其是動態(tài)東西很多的時候）或者PVS思想。
• PVS(Potential Visibility Set)：先用BSP-tree將空間進行劃分，每個小格子之間用Portal（傳送門）連接，繪制時只繪制當前各自及其能看到的其他格子的內(nèi)容即可（用于動態(tài)載入場景），并且每個格子的可見性是預設好的
• 隨著硬件升級，更多使用的是GPU Culling，用GPU快速計算出每個物體的包圍盒是否可見，搭配preZ等技術

四，紋理壓縮（Texture Compression）

常見的圖片格式如JPG、PNG等都是一種壓縮格式，它們壓縮率高，但是無法實現(xiàn)隨機訪問，且算法復雜。而在引擎中的紋理需要有高效壓縮和解壓、隨機訪問、壓縮率高質(zhì)量好的特性，因此一般采用塊壓縮（Block Compression）的技術，比如bxt格式是把圖片分為4X4的小格子，并且只記錄像素最大最小值和各個像素在這兩個值之間的插值?！赶喈斢谟?4位表示原本需要384位(24*16)的16個像素：32位用565格式記錄2個顏色，32位記錄每個像素的索引，除兩個像素顏色外只支持2種插值，共4種，用10的組合作為索引記錄，其他顏色丟失」

• 在PC上常用BC7（最新）和DXTC格式，手機上常用ASTC（最新）和ETC/PVRTC格式

五，Cluster-Based Mesh Pipeline

隨著發(fā)展玩家在一個場景里對模型精度、細節(jié)要求越來越高，帶來的GPU渲染負荷也增大，因此引擎?zhèn)戎饾u向Cluster-Based Mesh Pipeline方向發(fā)展。

• 管線核心思想：將非常精細的模型分為一個個的小Cluster，比如64個三角形分一個，然后以Cluster為單位進行渲染，剔除和深度排序也是基于Cluster bound而不是整個物體。（natine就是該思想拓展細分到像素級別）（想想曲面細分不就是一個三角形分成更多個然后統(tǒng)一渲染嗎）這也對程序員提出了更高的要求。

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總結

• 游戲引擎的設計與硬件架構密不可分，要做好一個圖形程序，就得了解顯卡架構
• 游戲引擎的一個核心問題是Mesh、Materials等數(shù)據(jù)之間的關系，submesh就是一個很好的解決方法
• 大師：do nothing—用Culling算法使得引擎繪制盡可能少的東西，CPU、GPU做的事越少越好
• GPU代替CPU計算–GPU Driven