【GAMES-104现代游戏引擎】4、引擎渲染基础（渲染基础数据、全局光照、PBR、阴影）-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【GAMES-104现代游戏引擎】4、引擎渲染基础（渲染基础数据、全局光照、PBR、阴影）。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

游戏渲染的挑战

一个场景包含成千上万的GO需要的材质、shader、效果都不尽相同，因此 复杂度极高
当代各种硬件的适配难度高，硬件架构一直在变化
高帧率、高分辨率的要求下，使得绘制算法绘制一帧的时间越来越短，算法效率要求高
绘制系统可以100%的使用显卡，但CPU只能使用一小部分，因为CPU还要处理游戏逻辑、网络、动画、物理、AI等计算

1、光栅化流程

光栅化主要流程

顶点属性输入（位置、法线、纹理坐标等）
MVPV变换、裁剪、透视除法后得到每个顶点在屏幕空间的坐标（范围 $(0,0)\to(width,height)$ ），主要由顶点着色器完成
光栅化：根据顶点位置采样出三角形所覆盖的像素，交给像素着色器处理
像素着色器中对每个像素进行着色计算（纹理映射、光照计算、后处理等）。
输出像素着色器的计算结果

2、一丢丢显卡知识

【GAMES-104现代游戏引擎】4、引擎渲染基础（渲染基础数据、全局光照、PBR、阴影）

SIMD：单指令多数据的数学运算，渲染中有大量的向量、矩阵运算，因此SIMD是非常重要的(CPU GPU都可)
SIMT：单指令多线程，一条指令可以在多个核上做同样的运算
SIMD+SIMT可以让计算速度比单指令单数据快很多。如：一个加法指令c = a + b，在100个核心上同时进行，每个核心又是4个分量同时计算，则速度快400倍

CPU与GPU的数据交换非常的慢，因此衍生出几个原则

尽可能单向、批量从CPU向GPU传输数据
尽可能不要从GPU中读取数据

Cache的重要性

越大的缓存越能减少Cache Miss
如果出现Cache Miss，再去内存中取该数据的代价是100多个时钟周期

3、网格绘制组件（Mesh Render Component）

逻辑上的GO是由多个不同的组件组合起来的，其中一个让这个GO变得可见的组件叫 网格绘制组件。

Mesh包含哪些东西？

一个顶点数组（位置、法线、UV坐标）
索引缓存（D3D中叫index buffer，opengl中叫EBO）。参考这篇文章EBO部分描述

为什么每个顶点都要定义法线？

首先如果不逐顶点定义法线，那么在后面的计算中，需要用到法线时，应该根据该顶点周围的三角面的法线求平均得到，而三角面的法线是通过两个边叉乘得出，这样会产生一个问题如下左图所示。面的交接线处的顶点法线是斜着的，这样计算着色就会出问题，但看cube的任何一个表面，表面周围的法线有了梯度，根据这样插值出来的法线逐像素着色计算完成后，这个边就不硬！尽管我们的模型是方方正正非常硬的，但他着色后就看起来不硬
因此每个顶点定义法线就很重要，右图所示交界处顶点有2、3个法线的是同一个空间位置定义多个顶点的结果。这样有极大的灵活性，想硬就硬，想软也能软，改变顶点的法线即可

4、材质

Phong Model：Color = Ambient + Diffuse + Specular
PBR Model：Physically Based Rendering，基于物理的渲染模型
Subsurface Material：微表面模型

现代的材质模型中，纹理(Texture)起着非常重要的作用，可以说是决定性作用

比如下面这个生锈的球是怎么表现出来的？

高光贴图：生锈部分没有高光，未生锈部分有高光
法线贴图：表现物体表面的细节
金属度贴图、粗糙度贴图、AO（环境光遮蔽贴图）

纹理/贴图：定义球面上每个点的属性
【GAMES-104现代游戏引擎】4、引擎渲染基础（渲染基础数据、全局光照、PBR、阴影）

着色器（Shader）

首先 shader是一串代码，但是在游戏引擎中，shader被当做跟纹理、模型一样的 数据 来使用
怎么理解？一个球模型、一堆贴图，再用一段shader，就能形成一个生锈铁球、毛线球、玻璃球等等不一样的球。

如何让一个对象的不同部位表现出不同的材质呢？

把模型不同部分应用不同的shader和纹理。一个物体还是对应一个顶点数组，但是我们可以定义不同的偏移量offset，将其分成不同的子网格subMesh，对每个submesh应用不同的shader和texture即可
总之Mesh要根据材质的不同进行切分，切分成一个个submesh，submesh与材质是一一对应的

课上讲的是 Mesh对应一个大的模型，sub mesh 对应这个模型的不同部位。现代引擎都是这个逻辑但是命名规则可能不同。有些是一整个模型叫Model，而一个Model由不同的Mesh组成。

5、资源池（Resource Pool）

如果游戏中有100个小兵GO，我们难道要为每个小兵都存储一套Mesh(几何模型)和Material(纹理、shader)？这样明显太浪费内存，因为所有的小兵Mesh、纹理、shader都是一样共用的，因此提出了 资源池 的概念。即同一个GO的Mesh、shader、Texture都分别用一个Resource Pool来管理，不同的实例(instance)只需要用指针去引用这些资源即可
【GAMES-104现代游戏引擎】4、引擎渲染基础（渲染基础数据、全局光照、PBR、阴影）

根据材质来分类Submesh ，在绘制的时候，材质相同的submesh一起绘制，这种方法在工作量上并没有减少，但是速度会更快。因为不用频繁的更改GPU的状态，比如绘制一个小兵就要切换比如5次shader、绑定5次纹理、切换5次submesh几何数据。绘制下一个小兵又要重复这个过程，这样会非常慢。
【GAMES-104现代游戏引擎】4、引擎渲染基础（渲染基础数据、全局光照、PBR、阴影）