Deferred Shading延迟渲染

Posted 2020-09-27 alps_01

Deferred Shading

 

传统的渲染过程通常为：1）绘制Mesh；2）指定材质；3）处理光照效果；4）输出。传统的过程Mesh越多，光照处理越费时，多光源时就更慢了。

      延迟渲染的步骤：1）Pass0先不做光照处理，将Mesh的Position信息和Normal信息绘制到纹理（RenderTargets，D3D支持多向输出）；2）Pass1仅绘制屏幕大小的一个四边形，利用之前得到的Position纹理和Normal纹理对有效地区域选择性地进行光照处理，再输出最后的图像。

     分析：由于延迟渲染将光照的处理量由空间转换到了平面，减少了光照等效果的计算量，提高了绘制速度，对多光源的绘制优势更为明显。

 

渲染流程

延迟渲染管线可分为四个阶段：geometry, lighting, composition, post-processing

Post-processing阶段与传统的forward shading没有太大差别，这里不提，只说明一下前三个阶段。

Geometry阶段：将本帧所有的几何信息光栅化到G-buffer。包括位置，法线，贴图等。

Lighting阶段：以G-buffer作为输入（位置，法线）进行逐像素的光照计算，将diffuse lighting和specular

Lighting 结果分别保存在两张RT上作为lighting buffer。

Composition阶段：将G-buffer中的贴图buffer和lighting buffer融合，得到渲染结果。

 

 

 

整体渲染过程并不复杂，但在实际的过程中还是有许多问题需要考虑的，下面一一列举。

 

G-buffer

Geometry阶段将几何信息渲染到multi render target上（MRT），当前最多支持4个MRT。并且驱动要求4个MRT必须相同的bit宽度。RT对显存占用过大会增加带宽，降低cache命中。而简单格式的RT又会影响画质。因此决定使用32bit的RT（如A8R8G8B8，R16G16F）或64bit宽度的RT（如A16R16G16B16F）。需要在画质和性能间做出折衷。（开发时尽可能可以方便的配置）。[1]中有一些性能比较。

 

MRT中必须的信息：position(depth), normal, diffuse(texture)

可能需要的信息：specular, power, emissive, ao, material id

这些信息需要在这4个RT上用合理格式，合理的组织。这里还可以就存储空间和shader的复杂性做折衷。如只保存depth，然后在光照时计算position[12]。以及用球面坐标保存法线[13]。以目前的资料得出的结论是应该尽可能地pack数据，减少内存占用，多出来的若干条shader指令不会明显影响性能。

 

 

 

 

 

光照计算

使用延迟渲染技术最大的好处就是可以渲染光照极为复杂的场景。这里场景中的光照可以分为两类。

影响整个场景的scene light。如directional light。渲染一个screen quad，逐像素光照计算，没什么好说的。

另一类是只影响一部分区域的local light。如点光源，聚光灯，以及特效等等。这些local light只影响到屏幕上的某些像素，当然不需要逐像素的进行光照计算。最简单的方法是绘制这些光源的包围体（点光源的包围体是球，聚光灯的包围体是圆锥），包围体的大小要大于等于光源的衰减范围。这些包围体经过变换投影到屏幕上的对应区域，随后在pixel shader中计算光照。

优化：

1.       光源包围体的视锥剔除，遮挡剔除。

2.       光源包围体投影后很小时剔除；若干个靠的比较近的小光源合并成一个较大的光源[11]

3.       光源包围体的backface culling

 

4.       屏幕空间中没有被光源照到的，或者被更近的物体遮挡住的像素不需要光照计算，因此可以逐像素的深度剔除。

a.       使用正确的stencil light volume。类似shadow volume的方案，将渲染light volume的正反两面，得到正确的stencil mask，然后光照计算时使用stencil buffer。这种方法可以得到正确的结果，但是需要渲染每盏灯时频繁改变render state，可能会带来一定性能上的损失。

b 使用z test，可以得到“一定程度上正确”的结果。

 

 

阴影

光照计算的同时计算阴影。使用传统的shadow map，预先生成一张阴影图。考虑在编辑场景的时候指定那些重要的光源才会产生阴影。在计算shadow map时要针对光源的binding volume进行剔除。

方向光和聚光灯可以使用基本的shadow map投影（正交投影，透视投影）。点光源会复杂一些，需要使用cubic shadow map。（考虑unwrapping method[14]）

 

半透明

由于在延迟渲染的过程中只计算离屏幕距离最近的那个像素的光照，因此无法处理半透明物体的光照。

方案1

延迟渲染的过程中只处理不透明的物体，将所有半透明的物体放在渲染过程的最后，使用传统的forward shading渲染。

方案2

在Geometry阶段将半透明的物体和背景逐像素的交织起来，将透明度放在一个单独的通道中。按一般的方法计算光照。随后在composition阶段再根据透明度将透明物体和背景逐像素的混合起来。

优点：

光照一致性。半透明的物体也参加延迟渲染，可以接受多光源的光照。

简单并且健壮。不需要单独区分不透明物体和半透明物体，不需要单独的半透明渲染管道。

速度快。只增加了7到10条ps指令，两张贴图，只有约2%的性能损失。

缺点：

模糊。在半透明的物体上会有一点模糊，原因是在交织的过程中会有一定信息损失。

边缘锯齿。反交织的过程中半透明物体的边缘会产生一些锯齿。

只能有一层半透明。

 

多种材质

在延迟光照的过程中支持多种材质需要如下方案：

在G-buffer阶段输出材质的ID到G-buffer的一个通道中，随后在lighting阶段和composition阶段根据材质ID使用不同的光照函数计算光照。这种方案在sm 3.0中使用动态分支的前提下可以很好的工作。

 

反锯齿

Dx9 API不支持反锯齿的MRT，Dx10支持。

一种方案是使用超采样，先渲染到大的RT上，再downsample到正常的大小，得到没有锯齿的结果。延迟渲染的效率跟分辨率有很大关系，因此这种方法会极大的降低性能，基本不可取。

另一种方案是使用“intelligent blur”，只模糊物体边缘的像素：

根据相邻像素的深度和法线提取物体边界，然后对提取出的边界进行模糊。模糊时要避免不正确的泄露。如后面物体的颜色泄露到前面的物体上[11]。 总体而言实现会较为复杂。

 

 

 

 

另一种方案：pre-lighting [8][9][17]

 

 

 

 

一种pre-z rendering 和deferred rendering的结合。G-buffer阶段只保存depth和normal，然后计算光照信息到lighting buffer，格式如下

LightColor.r * N.L * Att
LightColor.g * N.L * Att
LightColor.b * N.L * Att
R.V^n * N.L * Att

最后使用传统的forward shading再将整个场景渲染一遍，期间查询lighting buffer。

与普通的deferred shading相比：

优点：

占用带宽小，第一遍渲染只输出normal，depth是自动获得的。

可以用在较老的硬件平台上，不需要MRT支持。

对现有forward shading管道改动较小，比较容易实现。

缺点：

整个场景需要渲染两遍，相当于在pre-z和forward shading中间加了一个lighting stage。