Difference between revisions of "延迟渲染"

Revision as of 02:50, 27 January 2011

本文讲述的是KlayGE的Deferred Rendering例子中使用的延迟渲染方法。

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. for each object
   {
      填充G-Buffer
   }
2. for each light
   {
      Lighting pass
   }
3. for each object
   {
     执行shading
   }

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。

基于物理的BRDF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：

G-Buffer的分配

在Deferred框架中，不管是Deferred Shading还是Deferred Lighting，G-Buffer的分配都是非常关键的。前面得出的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 = (n + l_c) / 2（见基于物理的BRDF），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。别忘了在前面的公式中，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：