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GAMES104：04游戏引擎中的渲染系统1：游戏渲染基础-学习笔记

news 来源：原创 2024/7/7 16:56:38

文章目录

概览：游戏引擎中的渲染系统
- 四个课时概览
一，渲染管线流程
二，了解GPU
- SIMD 和 SIMT
- GPU 架构
- CPU到GPU的数据传输
- GPU性能限制
三，可见性
- Renderable可渲染对象
- 提高渲染效率
- Visibility Culling 可见性裁剪
四，纹理压缩（Texture Compression）
五，Cluster-Based Mesh Pipeline
总结

概览：游戏引擎中的渲染系统

游戏渲染面临的挑战
1. 渲染量大、算法复杂、all in one
2. 对于不同硬件显卡的适配和优化
3. 实时性（60fps、120fps）和分辨率（1080p、4K、8K）要求
4. CPU带宽和内存限制（游戏逻辑、网络、动画物理等都是CPU处理的）
这块是一个实践性、工程性知识（与纯理论相对），因此技术更新换代非常快

四个课时概览

在这里插入图片描述

一，渲染管线流程

流程参照101和图形基础

二，了解GPU

SIMD 和 SIMT

单指令多数据SIMD（Single Instruction Multiple Data）运算，对多个数据同时进行同一种运算（指令级并行），一般用于矩阵计算
单指令多线程SIMT（Single Instruction Multiple Threads）运算，多线程处理运算（相当于GPU多线程版SIMD），GPU的线程数是比CPU多得多，因此处理简单计算快

GPU 架构

GPU上的运算是分到一个个的流式多核处理器SM（Streaming Multiprocessor）里计算的，SM用于运行CUDA（并行处理器）。计算时不仅可以并行，相互间还可以交换数据（硬件加速），这是现代GPU最重要的架构
最先进的引擎一直在更新，比如逐渐能够使用compute shader、mesh shader等等；以及一些优化比如Tile-Based，这些都跟硬件架构息息相关，如果能先了解下显卡硬件的工作原理，有助于学习这些后续知识~（艺术家也一样）

CPU到GPU的数据传输

现代引擎中一般绘制和逻辑是不同步的，但如果某帧绘制需要逻辑运算的数据时，就可能出现不同步的延迟。并且CPU与GPU之间的数据传输非常慢，因此默认原则：尽可能用CPU->GPU的单向传输，而不从GPU读取数据。
缓存（Cache）效率在GPU中非常重要，如果计算时要加载数据不在缓存里，就会出现Cache miss（读取到时Cache miss）情况，这时候如果想去内存读取，甚至会花费一百多个时间周期，处理效率大大降低

GPU性能限制

内存瓶颈Memory Bounds
算术逻辑单元ALU Bounds
纹理贴图单元TMU(Texture Mapping Unit) Bound
带宽瓶颈BW(Bandwidth) Bound

三，可见性

Renderable可渲染对象

Mesh：储存每个点的位置、法线、uv、权重等和三角形的点索引
Materials：经典模型Phong Model、PBR Model等
Texture：有时候比材质还要重要
Shaders：shader在引擎中不算是源码，而是“数据”；shader graph连连看
SubMesh：Mesh根据材质不同分为不同子网格，即SubMesh

提高渲染效率

多个模型的多个submesh重复了怎么提高效率呢？
1. 可以建立一个资源池（Resource Pool），将同一种资源储存到统一的资源池中，并建立缓存；
2. Instance（实例化）相当于先定义一个物体的Renderable，然后再将该数据实例化并渲染
3. 游戏中相同材质的submesh，也可以把场景物体按照材质排序，把相同材质的物体group到一起，然后只需设置一次材质（减少GPU等待数据）；再进一步GPU Barch Rendering可以在一次drawcall里一次性设置并渲染大量同材质物体

Visibility Culling 可见性裁剪

基础原理是通过包围盒判断，优化用BVH Culling之类的算法（尤其是动态东西很多的时候）或者PVS思想。
PVS(Potential Visibility Set)：先用BSP-tree将空间进行划分，每个小格子之间用Portal（传送门）连接，绘制时只绘制当前各自及其能看到的其他格子的内容即可（用于动态载入场景），并且每个格子的可见性是预设好的
随着硬件升级，更多使用的是GPU Culling，用GPU快速计算出每个物体的包围盒是否可见，搭配preZ等技术

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四，纹理压缩（Texture Compression）

常见的图片格式如JPG、PNG等都是一种压缩格式，它们压缩率高，但是无法实现随机访问，且算法复杂。而在引擎中的纹理需要有高效压缩和解压、随机访问、压缩率高质量好的特性，因此一般采用块压缩（Block Compression）的技术，比如bxt格式是把图片分为4X4的小格子，并且只记录像素最大最小值和各个像素在这两个值之间的插值。「相当于用64位表示原本需要384位(24*16)的16个像素：32位用565格式记录2个颜色，32位记录每个像素的索引，除两个像素颜色外只支持2种插值，共4种，用10的组合作为索引记录，其他颜色丢失」

在PC上常用BC7（最新）和DXTC格式，手机上常用ASTC（最新）和ETC/PVRTC格式

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五，Cluster-Based Mesh Pipeline

随着发展玩家在一个场景里对模型精度、细节要求越来越高，带来的GPU渲染负荷也增大，因此引擎侧逐渐向Cluster-Based Mesh Pipeline方向发展。

管线核心思想：将非常精细的模型分为一个个的小Cluster，比如64个三角形分一个，然后以Cluster为单位进行渲染，剔除和深度排序也是基于Cluster bound而不是整个物体。（natine就是该思想拓展细分到像素级别）（想想曲面细分不就是一个三角形分成更多个然后统一渲染吗）这也对程序员提出了更高的要求。