3D游戏引擎系列十

时间：2023-02-03 23:37:11

笔者介绍：姜雪伟，IT公司技术合伙人，IT高级讲师，CSDN社区专家，特邀编辑，畅销书作者，国家专利发明人;已出版书籍：《手把手教你架构3D游戏引擎》电子工业出版社和《Unity3D实战核心技术详解》电子工业出版社等。

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延迟渲染在PC端的游戏开发中使用的非常多，由于其效果非常好，也被很多开发者所喜欢，现在这些技术已经都放开了，作为开发者至少我们要知道其实现原理，代码网上也有很多，读者可在百度中搜索。在这里主要是给读者普及一下关于延时渲染的使用，我在自己研发的引擎中也是使用了该技术。Unity3D引擎也使用了该技术，但是由于其在移动端效率问题，一般不会用在项目开发中。

     延迟渲染也是图形学算法中的一种，它是针对场景渲染的，也称为后处理渲染，就是在原有场景渲染基础上再使用延迟算法对其再进行渲染处理，最后显示到屏幕上。下面我们就直奔主题了：

Unity3D中，延迟渲染管线为分两个阶段进行，G-Buffer阶段和光照计算(Lighting)阶段。下面我们使用传统的方法，网上很多说的是四个阶段，我们

的Deferred Lighting使用三个阶段，伪代码如下所示：

第一步、 for each object
   {
      填充G-Buffer
   }
第二步、 for each light
   {
      Lighting pass
   }
第三步、 for each object
   {
     执行shading
   }

其中，第二步中Lighting pass非常重要，一遍一遍的敲公式非常麻烦，在这里用图片给读者展示一下Lighting Pass的计算公式，数学在游戏开发中占有重要

占有重要地位，对于算法的实现，不是一朝一夕的事情，但是一定要坚持去下面就把Lighting Pass的计算公式给读者展示一下：

Lighting pass在Deferred Lighting框架处于核心地位，在这里我打算先把lighting pass解析清楚。一旦lighting pass表达好了，G-Buffer所需要保存的信息，以及shading pass能得到的信息也都清楚了。

基于物理的BRDF推出了渲染模型总公式：

3D游戏引擎系列十

再有N个光源的情况下，每个像素的光照响应就是：

3D游戏引擎系列十

对于Deferred shading来说，每一个shading pass就是执行一个

3D游戏引擎系列十

而对于Deferred lighting来说，公式需要重新整理一下：

3D游戏引擎系列十

由于cdiff是到最后的shading pass才计算，所以在每一个light pass里面，diffuse和specular必须分开才能保证结果正确：

3D游戏引擎系列十

为了把diffuse和specular放入4个通道的buffer中，就只能牺牲specular的颜色，只剩下亮度，同时cspec也简化成一个标量。所以，lighting pass的计算成了：

3D游戏引擎系列十

在上述公式中实现了Diffuse，Specular，lightning pass，最后就是对G-Buffer的处理，下面把处理Deferred延迟渲染的完整shader代码给读者展示一下：


// Matericesfloat4x4 g_matWorld: World;float4x4 g_matWorldView: WorldView;float4x4 g_matWorldViewProj : WorldViewProjection;float4x4 g_matProjInvert: ViewProjectionInverse;float4x4 g_matTextureProj: TextureProjection;// Lightfloat4 g_LightAmbient;float4 g_LightColor;float4 g_LightPosition;float4 g_LightPositionViewSpace;float  g_LightRadius;float  g_OneOverSqrLightRadius;// Materialfloat g_MaterialAmbient;float g_MaterialEmissive;float g_MaterialDiffuse;float g_MaterialSpecular;float g_MaterialShininess;// Texturestexture g_TextureDiffuse;texture g_TextureCubeNormalization;// Render targetstexture g_TextureSrcColor;texture g_TextureSrcPosition;texture g_TextureSrcNormal;texture g_TextureSrcMaterial;// ---------------------------------------------------------------// Samplers// ---------------------------------------------------------------sampler g_SamplerDiffuse = sampler_state{Texture = (g_TextureDiffuse);MinFilter = Linear;MagFilter = Linear;MipFilter = Linear;};sampler g_SamplerCubeNormalization = sampler_state{Texture = (g_TextureCubeNormalization);MinFilter = Linear;MagFilter = Linear;MipFilter = None;AddressU  = Clamp;AddressV  = Clamp;};sampler g_SamplerSrcPosition = sampler_state{Texture = (g_TextureSrcPosition);MinFilter = Point;MagFilter = Point;MipFilter = None;AddressU  = Clamp;AddressV  = Clamp; };sampler g_SamplerSrcNormal = sampler_state{Texture = (g_TextureSrcNormal);MinFilter = Point;MagFilter = Point;MipFilter = None;AddressU  = Clamp;AddressV  = Clamp;};sampler g_SamplerSrcColor = sampler_state{Texture = (g_TextureSrcColor);MinFilter = Point;MagFilter = Point;MipFilter = None;AddressU  = Clamp;AddressV  = Clamp;};sampler g_SamplerSrcMaterial = sampler_state{Texture = (g_TextureSrcMaterial);MinFilter = Point;MagFilter = Point;MipFilter = None;AddressU  = Clamp;AddressV  = Clamp;};// ---------------------------------------------------------------// Utitlities// ---------------------------------------------------------------float3 cubeNormalize(float3 normal){return texCUBE(g_SamplerCubeNormalization, normal) * 2 - 1;}half getAttenuation(half3 lightVec){return saturate(1 - dot(lightVec, lightVec) * g_OneOverSqrLightRadius);}float3 F32_3xI8_Compress(float f){float u     = floor(f * 256.0);float res_u = f * 256.0 - u;float v     = floor(res_u * 256.0);float res_v = res_u * 256.0 - v;float w= floor(res_v * 256.0);return (1 / 256.0 * float3(u, v, w));}float F32_3xI8_Decompress(float3 vec){return (vec.x + vec.y * 1.0 / 256.0 + vec.z * 1.0 / 65536.0f);}// ---------------------------------------------------------------// Geometry rendering (to 4 RTs)// ---------------------------------------------------------------float4 VS_Geometry(float4 pos : POSITION) : POSITION{return mul(pos, g_matWorldViewProj);}// ---------------------------------------------------------------// Render to 4 Render Targets// ---------------------------------------------------------------struct VSOUTPUT_RenderToRTs{float4 pos      : POSITION;float4 worldPos : TEXCOORD0;float2 texCoord : TEXCOORD1;float3 normal   : TEXCOORD2;};struct PSOUTPUT_RenderToRTs{float4 color: COLOR0;float4 position : COLOR1;float4 normal   : COLOR2;float4 material : COLOR3;};VSOUTPUT_RenderToRTs VS_RenderToRTs(float4 pos : POSITION, float3 normal : NORMAL, float2 texCoord : TEXCOORD0){VSOUTPUT_RenderToRTs vsRenderToRTs = (VSOUTPUT_RenderToRTs)0;vsRenderToRTs.pos      = mul(pos, g_matWorldViewProj);vsRenderToRTs.worldPos = vsRenderToRTs.pos;vsRenderToRTs.texCoord = texCoord;vsRenderToRTs.normal   = mul(normal, (float3x3)g_matWorldView);return vsRenderToRTs;}PSOUTPUT_RenderToRTs PS_RenderToRTs(VSOUTPUT_RenderToRTs vsRenderToRTs){PSOUTPUT_RenderToRTs psRenderToRTs = (PSOUTPUT_RenderToRTs)0;psRenderToRTs.color    = tex2D(g_SamplerDiffuse, vsRenderToRTs.texCoord);psRenderToRTs.position = float4(F32_3xI8_Compress(vsRenderToRTs.worldPos.z / vsRenderToRTs.worldPos.w), 1);psRenderToRTs.normal   = float4((normalize(vsRenderToRTs.normal) + 1) * 0.5, 0);psRenderToRTs.material = float4(g_MaterialAmbient, g_MaterialDiffuse, g_MaterialSpecular, g_MaterialShininess / 255);return psRenderToRTs;}// ---------------------------------------------------------------// Ambient lighting// ---------------------------------------------------------------struct VSOUTPUT_Ambient{float4 pos : POSITION;float2 tex : TEXCOORD0;};VSOUTPUT_Ambient VS_Ambient(float4 pos : POSITION, float2 tex : TEXCOORD0){VSOUTPUT_Ambient vsAmbient = (VSOUTPUT_Ambient)0;vsAmbient.pos = mul(pos, g_matWorldViewProj);vsAmbient.tex = tex;return vsAmbient;}float4 PS_Ambient(VSOUTPUT_Ambient vsAmbient) : COLOR0{return tex2D(g_SamplerSrcColor, vsAmbient.tex) * g_LightAmbient;}// ---------------------------------------------------------------// Diffuse lighting// ---------------------------------------------------------------struct VSOUTPUT_Diffuse{float4 pos   : POSITION;float4 pos2   : TEXCOORD0;float4 posProj : TEXCOORD1;};VSOUTPUT_Diffuse VS_Diffuse(float4 inPos : POSITION){VSOUTPUT_Diffuse Out = (VSOUTPUT_Diffuse)0;float4 pos = mul(inPos, g_matWorldViewProj);Out.pos     = pos;Out.pos2    = pos;Out.posProj = mul(pos, g_matTextureProj);return Out;}float4 PS_Diffuse(VSOUTPUT_Diffuse In) : COLOR0{// Get depth, normal (unbias), color and material from 4 render targets// Use projected texture lookupshalf depth   = F32_3xI8_Decompress(tex2Dproj(g_SamplerSrcPosition, In.posProj));half4 normal   = tex2Dproj(g_SamplerSrcNormal, In.posProj) * 2 - 1;half4 color   = tex2Dproj(g_SamplerSrcColor, In.posProj);half4 material = tex2Dproj(g_SamplerSrcMaterial, In.posProj);// Reconstruct original world space positionhalf4 position = mul(half4(In.pos2.xy / In.pos2.w, depth, 1), g_matProjInvert);position.xyz /= position.w;// Calculate diffuse componenthalf3 lightVec = g_LightPositionViewSpace - position;half3 lightDir = normalize(lightVec);half diff = saturate(dot(normal, lightDir)) * material.y;half attenuation = getAttenuation(lightVec);return g_LightColor * color * diff * attenuation;}//--------------------------------------------------------------------------------------// Techniques//--------------------------------------------------------------------------------------technique techRenderDeferred{pass GeometryPass{VertexShader = compile vs_1_1 VS_Geometry();PixelShader  = null;ZEnable = true;ZWriteEnable = true;StencilEnable = false;AlphaBlendEnable = false;ColorWriteEnable = Alpha;}pass RenderToRTsPass{VertexShader = compile vs_2_0 VS_RenderToRTs();PixelShader  = compile ps_2_0 PS_RenderToRTs();ZWriteEnable = false;ColorWriteEnable = 0x0000000F; // Red | Green | Blue | Alpha}pass AmbientPass{VertexShader = compile vs_2_0 VS_Ambient();PixelShader  = compile ps_2_0 PS_Ambient();ZWriteEnable = false;ZEnable = false;AlphaBlendEnable = true;SrcBlend  = One;DestBlend = One;}pass DiffusePass{VertexShader = compile vs_1_1 VS_Diffuse();PixelShader  = compile ps_2_0 PS_Diffuse();ZWriteEnable = false;ZEnable = false;AlphaBlendEnable = true;SrcBlend  = One;DestBlend = One;CullMode = CW;ColorWriteEnable = 0x0000000F;}}

使用该Shader实现的延迟效果图如下所示：

3D游戏引擎系列十


总结：

游戏的精髓是图形学算法，作为游戏开发者对数学算法必须要掌握，对一些后处理算法要了解其原理。很多开发者认为自己写写逻辑就可以了，其实写逻辑也会遇到算法接口的调用，在使用接口时自己也要明白算法的原理，这样对于提升自己的技能非常有帮助。

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