简化的架构

  • Tool Layer：面向用户，DCC和引擎交互
  • Function Layer：tick，渲染+逻辑，etc…
  • Resource Layer：资源格式转换为资产（更高效的内部数据），GUID资产识别，资产生命周期管理（核心）
  • Core Layer：数学库，更高效的数据结构、容器，内存管理
  • Platform Layer：RHI（封装不同的图形API，向上提供统一接口）

Function 和 Core 可能有很多交汇

Game World

各种光源、人物角色、像机乃至空气墙、触发器都可以表示成对象Object

各种过于复杂的关系导致继承系统很难表示，引入组件components，可以看一下ECS模式

component-based Tick，相同组件同时tick，更加高效

事件系统，消息机制类似进程信箱通信，需要可扩展消息以支持物体间各种交互事件

场景管理，八叉树、BVH（bounding box）等等

pretick & posttick，多线程下统一时序

引擎中的渲染

可结合games101

一些挑战

  • 场景中的大量物体需要渲染
  • 复杂的底层硬件适配
  • 稳定的帧率
  • 有限的资源分配

GPU，SIMT结构，GPU架构

mash - submash - shader，可以按照材质排序渲染，实例Instance概念（定义和渲染概念分离）

可见性裁剪，包围盒+场景划分（BVH）

纹理压缩，常用压缩算法无法随机访问位置，使用基于Block Compression的常用算法

光、材质和shader

再次参考101

一些挑战

  • BRDF如何快速进行积分
  • 光源本身的复杂性、间接光源的处理
  • shadow！

预计算全局光照（Global IIIumination），球面空间如何采样和积分，球谐函数（Spherical Harmonics）！！！

个人对使用SH函数的理解，不需要采样球上成千上万的点，而且全局光关注的基本是低频信息，直接使用类似傅里叶变换从空域到频域映射加卷积提取其特征即可，球谐基本就是这个作用，可以非常高效的提取亮部和暗部，可以看一下各级球谐函数的图像，阶数越高，能表示的精度越高（亮暗面更多），12个参数（球谐函数4个*RGB3个）即可表示

SH Lightmap：烘培很慢但效果很好，基本适用于静态物体

Light Probe && Reflect Probe：低频采样但是可以实时

PBR：当前常用的有

  • Specular Glossiness（SG模型，RGB+菲涅尔+粗糙度，DFG！），菲涅尔项容易炸

  • Metallic Roughness（RGB+粗糙度+金属度），根据金属度设置菲涅尔项，更强的可控性

IBL：Image-based Lighting，会有多级表示不同的频率

VSSM：利用方差、期望等直接求软阴影

总结-引擎渲染部分实现

全局光照 -> SH lightmap + Probe

材质 -> PBR两大模型 + IBL

阴影 -> VSSM + Cascade

地形、植被（terrain，vegetation）

LOD：level of detail，层次细节

QuadTree-Based Subdivision：四叉树地形管理

地形纹理交界处混合，hack，加bias！

Virtual texture：类似mipmap，混合全部材质，有点像OS里的页面置换，存显存里！

核心思路就是近处细分，远处粗糙

大气sky

首先，看到对的就是对的，拟合大气表现！两个参数：视线和太阳、视线和天顶的角度，但只能有一种表现，没有天气，只能在地面…

进一步，不是真空，光会穿过空中的气溶胶、水汽等等，会发生吸收、散射、气体自发光、来自其他物体的光，积分全是积分！从物体一路积分过来，有多少光能穿过来（通透度）、其他光对这条光路的贡献

再进一步，对瑞利散射的模拟，米氏散射的模拟

具体实现，

基于ray marching，沿着一条光路采样、积分得到结果，可以预渲染precomputed，存到贴图中，得到角度等参数时直接用即可

云cloud

mesh云：加噪声等等

billboard云：二维片模拟

体积云：实时处理，weather texture很有用

噪声立大功

环境光遮蔽AO

几种实现

  • 离线预计算，烘培到贴图
  • SSAO+，但屏幕空间无法处理不同物体距离
  • HBAO，看天顶，多少角度可以越过周围遮挡物，但无法区分不同角度照过来的光
  • GTAO，区分了光的角度，无敌

雾

几种实现

  • 深度雾，通过线性函数
  • height fog，雾会沉在下面，根据高度展示，积分浓度
  • 体素雾，类似云渲染

后处理Post-process

主要应用

  • Bloom效果：泛光，提取亮部再blur，会对结果缩小再放大，为了得到晕开的效果
  • Tone Mapping：色调映射，很多映射曲线，经典filmic curve，目前用的多的是ACES
  • color grading：调色，又叫LUT，也是一个简单的映射

渲染管线pipeline

前向渲染forward rendering

上面的n种渲染效果，大量算法，按照一定的顺序应用和处理，最终呈现

有方向性的数据流

延迟渲染deferred rendering

随着场景愈来愈复杂光源越来越多，更好的处理光源

先走一遍管线，把材质、深度、法线等信息全部存到GBuffer里，最后计算光照

但是GBuffer开销极大

Tile-based rendering

目前比较常用，像瓷砖一块一块

相当于分割成几个小块，可以单独计算GBuffer、光照，大大减少开销

Cluster-based rendering

直接对视锥空间切分，四棱柱，tile的升级版本，更大量的光源

几何buffer和材质buffer分离

GBuffer、VBuffer分离

对buffer直接渲染！！！

各种sync

保证frame buffer写完再刷，保证显示不会裂开