游戏引擎中的光照算法

前言

今天我们来聊一下游戏引擎中的光照算法，从最开始的Forward Render,到后来的Deferred Render再到后面的Clustered Forward Render以及Clustered Deferred Render，分析一下实现步骤以及它们的优缺点。

Forward Render

这个是最传统的方法，对于多光源的处理比较有限，它的基本算法如下所示：

一般游戏引擎为了减少批次和处理光照的次数，会让每个物体受影响的光源有个上限比如3个或者4个，而且一般是在一个shader里面直接处理多个光源的情况。这个在最开始的游戏引擎中比较常见。目前基本上只会使用在移动平台上。比如Unity和UE4移动平台的低配版本都是这样的。

Deferred Shading

随着游戏中支持光源的数量越来越多，传统的Forward Render已经不能满足游戏的需求，Deferred Shading应运而生，这个技术基本上是从Deferred shading in S.T.A.L.K.E.R. 进入大家的视野的。基本思路如下图所示：

基本上GBuffe的内容大体如上图所示，当然目前大多数引擎为了支持多材质一个会有一个字节用于写入Material ID或者Shading Model ID(UE4)来区分不同的着色模型。

Tiled Deferred Shading

Tile Deferred Shading就是在Deferred Shading基础上按一定像素大小分块（比如32x32），计算每一块中光源的数量，这样我们可以对多个光源计算光照只读取一次GBuffer信息，节省了带宽。

Deferred Lighting

Cryengine3早期版本中使用过该技术，大体算法如下图所示：

这个算法跟Deferred Shading差不多，目前基本上没有引擎再使用这个方法。

Forward Plus Shading（Tiled Forward Rendering）

Forward+ Rendering最初是从AMD的论文Forward+: Bringing Deferred Lighting to the Next Level开始流行起来的。基本算法如下图所示：

Clustered Forward Rendering

在Forward+ Rendering的基础上又沿着相机深度的方向切了很多片。

Clustered Deferred Rendering

Clustered Forward Rendering也即是在Tiled Deferred Rendering的基础上又沿着相机深度的方向上进行了切片。

切片算法

总结

到这里我们把基本的光照算法都讲一遍了，读者可以看到上面的这些光照算法无非就是下面的几种组合：Forward/Deferred + (Tiled/Clustered)?，这里?代表0或1。演进过程是这样的，最开始只有传统的Forward Rendering，为了解决多光源的问题，引入了Deferred Rendering，带来了很多好处，包括各种后期效果。但是带宽是个问题，于是出现了Forward Plus(Tiled) Rendering解决带宽问题，也就有了Tiled Deferred Shading，但是还可以进一步优化，那就是在Tile的基础上再切片，于是就有了Clustered Forward Rendering和Clustered Deferred Rendering。下面我们列个简单的表格来对比下他们的优缺点。

光照算法	优点	缺点
Forward Rendering	实现最简单。 MSAA和透明渲染都能正常工作。 带宽消耗小。	对大规模点光源支持不好。 对各种需要深度和法线的后期处理算法不友好。
Deferred Shading	支持大规模点光源。 对各种需要深度和法线的后期处理算法很友好。	带宽消耗大。 MSAA和透明渲染支持不友好。 显存消耗大。
Forward+ Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工作。 带宽消耗小。 支持大规模光源。	对各种需要深度和法线的后期处理算法不友好。 强制需要一个Pre-Z Pass
Tiled Deferred Shading	支持大规模点光源 对各种需要深度和法线的后期处理算法很友好。 相对Deferred Shading带宽消耗在光源计算的时候会减少。	带宽消耗大 MSAA和透明渲染支持不友好。 显存消耗大。
Clustered Forward Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工作。 带宽消耗小。 支持大规模光源。 相对Forward+ Rendering在光源多的时候会有效率提升。	对各种需要深度和法线的后期处理算法不友好。 强制需要一个Pre-Z Pass
Clustered Deferred Shading	支持大规模点光源 对各种需要深度和法线的后期处理算法很友好。 相对Deferred Shading带宽消耗在光源计算的时候会减少。 相对Tiled Deferred Rendering在光源很多的情况下会有性能提升。	1、带宽消耗大 2、MSAA和透明渲染支持不友好。 3、显存消耗大。

从上表可以看出，这些算法的优缺点基本就是Forward/Deferred以及Tiled/Clustered优缺点的组合。

参考文章

1. http://download.nvidia.com/developer/presentations/2004/6800_Leagues/6800_Leagues_Deferred_Shading.pdf
2. https://www.slideshare.net/guest11b095/a-bit-more-deferred-cry-engine3
3. https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems2/gpugems2_chapter09.html
4. http://www.yosoygames.com.ar/wp/2016/11/clustered-forward-vs-deferred-shading/
5. https://www.gdcvault.com/play/1014915/Lighting-in-Crysis
6. https://pydonzallaz.wordpress.com/2013/08/23/gdc-europe-2013-shining-the-light-on-crysis-3/
7. https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems2/gpugems2_chapter09.html
8. https://takahiroharada.files.wordpress.com/2015/04/forward_plus.pdf
9. https://www.3dgep.com/forward-plus/
10. https://www.slideshare.net/takahiroharada/forward-34779335
11. http://www.cse.chalmers.se/~uffe/clustered_shading_preprint.pdf
12. http://www.humus.name/Articles/PracticalClusteredShading.pdf
13. Forward+: A Step Toward Film-Style Shading in Real Time -- GPU Pro 4
14. https://www.gdcvault.com/play/1025420/Cluster-Forward-Rendering-and-Anti
15. http://www.dice.se/wp-content/uploads/2014/12/GDC11_DX11inBF3_Public.pdf