KlayGE中的延迟渲染_gbuffer分配-程序员宅基地

KlayGE中的延迟渲染系列文章将讲述在KlayGE 3.11的Deferred Rendering例子中使用的延迟渲染方法，由5篇文章组成。

Deferred Lighting的框架

KlayGE 3.11的例子已经从Deferred Shading改成了更节省带宽的Deferred Lighting。这里先对Deferred Lighting作一个简要的介绍，并假设读者已经了解了Deferred Shading。

Deferred Lighting的渲染架构可以分为三个阶段：

1. G-Buffer的生成
2. for each light
   {
   Lighting pass
   }
3. Shading pass

与Deferred Shading不同的是，shading（也就是和材质相关）的计算仅仅发生在最后一个阶段。所以，G-Buffer中需要保存的信息得到极大地减小，甚至不再需要MRT。

Lighting pass

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。

我以前的系列文章游戏中基于物理的渲染推出了渲染模型总公式：

再有N个光源的情况下，每个像素的光照响应就是

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

而对于Deferred lighting来说，公式需要重新整理一下：

由于c_diff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：

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c_spec也简化成一个标量。所以，lighting pass的计算成了：

本系列的第一篇暂告一段落，下一篇将介绍G-Buffer的分配。

G-Buffer分配

在Deferred Rendering的框架中，不管是Deferred Shading还是Deferred Lighting，G-Buffer的分配都是非常关键的。上一篇得出的lighting pass公式如下：

从公式可以看出，在light pass里需要的量有n，h，alpha，c_spec，l_c。因为h = (v +l_c) / 2（见游戏中基于物理的渲染系列文章），而l_c = normalize(l –p)（l是光源位置，p是要计算的点位置），所以最终需要G-Buffer提供的量有：n，p，alpha和c_spec。要完整的保存这些量，一共需要8个通道，normal占3个，position占3个，alpha和c_spec分别占一个。这样对G-Buffer来说消耗太大了，必须要缩减。

显而易见的是，normal是经过归一化的，只需要保存2个分量。http://aras-p.info/texts/CompactNormalStorage.html比较了多种保存2分量的方法，其中Spheremap transform速度和效果综合起来最佳，Crytek也在用同样的方法，即：

float2 encode(float3 normal)
{
   return normalize(normal.xy) * sqrt(normal.z * 0.5 + 0.5);
}
float3 decode(float2 n)
{
   float3 normal;
   normal.z = dot(n, n) * 2 - 1;
   normal.xy = normalize(n) * sqrt(1 - normal.z * normal.z);
   return normal;
}

下 一步是position。实际上像素所在的位置已经提供了x和y，需要保存的仅仅是z。position何以很好地从z和像素位置计算出来。这里保存的是 view space的z除以far plane。在lighting pass，pixel shader里拿到像素在view space的位置之后，做这样的计算：

p = view_dir * ((z * far_plane) / view_dir.z);

其 中，view_dir是在vertex shader中计算之后传到pixel shader。对于把光源的几何体直接作为光源几何的情况（如果你不熟悉这个，请见下篇），那么view_dir就是顶点乘上world * view矩阵之后的结果。对于用全屏的四边形作为光源几何的情况，view_dir就是把view frustum在far plane上的四个点乘上inverse(projection)矩阵之后的结果。z * far_plane就还原出了该点在view space的z，然后根据相似三角形的定理很容易就能推出这个还原公式。现在，position成功地压缩到了1个通道。

剩下的就是alpha和c_spec。如果不需要fresnel，可以直接忽略c_spec，留到shading pass再做，这里直接存alpha就可以了。否则，就需要把alpha和c_spec放入同一个通道。我用的方法是，floor(c_spec * 100)作为整数部分，clamp(alpha, 0, 255) / 256座位小数部分。这样的限制是，alpha取值范围为[0, 256)，一般来说够用了。

由此，所有lighting pass需要的信息都被压进4个通道内，G-Buffer只需要1张texture，省去了MRT。

Shading Pass

shading pass需要把前面所有lighting pass积累出来的光照信息和物体本身的材质信息组合起来，得出最后的着色。物体材质中的c_spec已经存在G-Buffer，并在lighting pass中计算了，所以shading pass输入的材质有c_diff，c_spec，c_emit，alpha。别忘了在上一篇的公式中，specular号需要乘上归一化系数(alpha + 2) / 8。另一方面，在lighting pass的结果里，rgb存的是积累的diffuse，a存的是积累的specular亮度，如果还有计算AO，那么shading所用的公式就是：

如果在G-Buffer和lighting pass因为不考虑fresnel而至保存了alpha，那么shading pass的公式就变成：

现在Deferred Lighting的3个阶段都已经得到解释，下一篇将讲解如何更快地计算lighting pass。

Anti-Alias

从Deferred Shading发明的一天起，anti-alias的问题就一直困扰着所有Deferred的方法。虽然很多无良的游戏厂商直接在Deferred Rendering的游戏里不支持AA，但确实AA对提升画面质量很有帮助。

Edge AA

在Deferred的框架里，很自然会想到用Edge AA来处理AA。其过程不外乎：

1. 边缘检测，得到每个像素“像边缘的程度”
2. 在shader里根据“像边缘的程度”来控制采样坐标

这本身并不是个复杂的过程，尤其是第二步，非常直截了当了，所以这里集中讨论的是如何进行边缘检测。

GPU Gems 2的“Deferred Shading in STALKER”一文提供了一种边缘检测的方法，通过把周围像素的法线差和深度差的和来判断边缘，由e_barrier这个参数来定义阈值和比例，而这个参数和分辨率有关。GPU Gems 3的“Deferred Shading in Tabula Rasa”改进了这个过程，只判断法线差和深度差最大和最小的两组。由于只是局部的相对量而已，这样就做到了和分辨率无关的边缘检测。KlayGE目前用的也是这种方法，得到的边缘如下：

另一个可能用于边缘检测的方法是，第二篇文章提到了如何恢复出每个pixel的view space position，每个pixel取得周围4个pixel的位置之后，就可以直接cross得出一个normal，姑且称为screen space normal。如果一个像素是连续的，那么这个normal就会很接近于G-Buffer中保存的normal，否则它们的方向就会差别很大。下图为G-Buffer中的normal：

这是screen space计算出的normal：

把这两个normal做一次dot，小于某个阈值的就认为是边缘，得到：

利用硬件MSAA作边缘检测

前面提到的边缘检测结果虽然不错，但其实都是是参数相关的。能否就用硬件的MSAA来做边缘检测呢？在Shader model 3.0以上的GPU，vertex attribute插值的时候可以选择centroid这个modifier。开启了centroid的attribute，会选择覆盖到的sample中心来插值，而不是像素中心。所以，同一个属性，如果即有centroid又有不带centroid的版本都传给pixel shader，在pixel shader里面判断两者不一致，就表示这个pixel在边缘上。这样的话，边缘的情况就和硬件MSAA完全一致了。但其实MSAA会过渡判断边缘，所有三角形的边缘都会被认出来，即便只是物体内部的。所以谨慎使用。

能不能就用MSAA？

前面讨论了那么多都是基于Edge的AA。在Deferred Lighting框架下，难道就不能直接用MSAA？可以！这也是Deferred Lighting比Deferred Shading优秀的方面之一。Deferred Shading不能直接MSAA的本质原因是在G-Buffer之后，物体几何信息全部抛弃了。相比Deferred Lighting，在shading pass，物体会被再次渲染一遍，这个时候还是有几何信息的，如果在shading pass打开了MSAA，就可以像Forward shading那样利用硬件MSAA了。唯一不同的是，光照来自于lighting pass的texture，而不是从光源计算。就算硬件MSAA，也只是每个pixel执行一次pixel shader，在按照覆盖情况写入sample的，所以在这里视觉上几乎和Forward shading一样。

讲了这么多AA方面的事情，下一篇将讨论一些对Deferred Rendering的扩展，以及未来的工作。

展望未来

shading pass再次渲染物体的改进

Deferred Lighting最受争议的一点应属在shading pass需要再次渲染几何体了。如果物体很多，尤其是有tessellation和GS的，多渲一遍有可能抵消了lighting pass带来的性能提升。改进的方法之一就是在建立G-Buffer阶段，用类似Deferred Shading的fat G-Buffer。除了原先的一张纹理，还需要一张纹理用来存放diffuse信息。但是lighting pass和原来一样，不涉及diffuse。shading pass就变成画一个全屏四边形，从G-Buffer的第二章纹理读取diffuse，进行着色。甚至emit也这么处理。这种方法介于Deferred Shading和Deferred Lighting之间。

彩色的specular

在本系列的第一篇文章里， 为了把lighting pass中的diffuse和specular都塞到4个通道里，就只能舍弃specular的颜色，只保存亮度。如果要RGB三个通道的 specular，近似的方法是通过diffuse积累结果的颜色来计算specular的颜色。这是个很粗糙的近似，虽然不是正确的，不过能骗骗眼睛：

其中lum_spec是累积出来的specular亮度，lum_diff是用累积出来的diffuse颜色计算出的亮度。epsilon是为了避免lum_diff为零。
另一种方法是lighting pass用6个通道。但是如果每个通道都是float 16的，也就是96bpp，带宽开销非常大，就不合适了。我的一个想法是把diffuse和specular都转换到YUV空间。这个空间的一个好处是Y 是float 16的，U和V都只要8 bit就可以了。所以可以这么安排MRT：第一张texture格式为G16R16F，保存diffuse和specular的Y；第二张texture 格式为ABGR8，分别保存两者的U和V。这样只有64bpp，但能保存正确的彩色diffuse和specular。由于YUV格式也是可以相加的，这 个地方仍可以用原先的lighting pass积累方法。

inferred lighting

Lighting pass可以借用inferred lighting的核心思想来加速。也就是说，lighting pass不需要全尺寸，只需要在一个比较小的render target上执行即可（比如3/4大小）。G-Buffer仍是全尺寸的，并在G-Buffer生成后作一次边缘检测。Shading pass也是全尺寸的，在采样lighting pass texture的时候，利用边缘检测的结果进行保边缘的插值（一般称为Discontinuity Sensitive Filtering，DSF），得到全尺寸lighting的近似。

上图是使用了800×450的lighting直接拉伸到1280×720做shading的结果，关闭DSF，锯齿严重。下图打开了DSF，基本解决了锯齿问题。

Anti-alias

上一篇文章讲了很多AA的方法，但那些都是在空间上做AA，比较适合近处物体。对于远处物体来说，空间上AA得到的收益有限，必须在时间上进行AA。结合上MLAA的威力，应该能有很小的代价实现很接近16xMSAA的结果。

各向异性BRDF

Crytek的“CryENGINE 3: Reaching the speed of light”里提到了在Deferred Lighting框架下加入各向异性BRDF的方法。它用了Spherical Gaussian（SG）来近似出NDF（来自于SIGGRAPH Asia 2009的All-Frequency Rendering of Dynamic, Spatially-Varying Reflectance），但这个SG只是per-object的。在G-Buffer阶段，不保存normal，而保存SG展开成lobe的系数。而 BRDF的其他几个项，Fresnel term、Geometry term，都留到shading pass才计算。这种方法的好处是，对lighting pass来说一切都是透明的，它照样可以按原来的方法累积光照，因为Microfacet BRDF中除了NDF，其他都作为公因数提取出去了（Microfacet BRDF的详细讲解可以参见“游戏中基于物理的渲染（三）”）。实际上，Fresnel term的系数是l和h，必须在lighting pass做。这里相信Crytek是用了n和v来代替，这样不是物理正确的，只有在高光的中心点，dot(l,h)才等于dot(n, v)，其他地方dot (n,v)会更迅速地衰减，到边缘地方就非常明显了。如果不在乎这个，是可以把NDF都用SG来表示，并用统一的方法进行渲染。

保存lobe的G-Buffer是这个样子的：

各向异性BRDF渲染出来的结果：

KlayGE中的延迟渲染就介绍到这里了。