GPU PRO 5 - 4.2 Deferred Rendering Techniques on Mobile Devices 笔记

本笔记仅为个人的理解，如果有误欢迎指出。

Deferred Rendering Techniques on Mobile Devices

移动设备上的延迟渲染技术

延迟渲染是一种将场景光照计算延后到第二个渲染阶段进行的技术。。应用程序首先完成场景几何信息的渲染，并在第二个 Pass 中，在所有进行光照计算所需的信息都已经准备好之后，再统一执行光照计算。

这种技术将光照计算和几何计算解耦，因此相比于前向渲染，延迟渲染对于多光源场景更加友好。但延迟渲染不代表没有代价，因为他是在屏幕空间中完成几何体的着色，因此要求每个像素的所有光照相关信息都必须事先存储在G-buffer中。

但G-Buffer的大小随着分辨率改变而改变，1920 x 1080 的分辨率中G-Buffer的大小可能达到数十MB。并且每一帧写入和读取。这增加了内存占用，内存宽带的消耗，这个在PC设备上还好，但是在移动设备上这就成为了延迟渲染主要的瓶颈之一，移动设备的GPU中因为要考虑散热、能耗等问题GPU的带宽比GPU的计算能力更加的宝贵。

本文介绍了三种延迟渲染技术，他们在G-Buffer中存储的数据各有不同，分别为：

1，延迟渲染（Deferred Rendering）（Hargreaves 和 Harris，2004）

2，Light Pre-Pass Rendering（光照预处理渲染 / 光照预通道渲染）（Engel，2008）

3，Light Indexed Rendering（光源索引渲染）（Treblico，2009）

1，延迟渲染：

G-Buffer 是延迟渲染概念中的核心之一，在传统的延迟渲染中G-Buffer主要存储以下数据：

漫反射颜色、法线、深度。

延迟渲染对物体的渲染一般会有两个Pass以上，第一个Pass中会将这些数据写入到G-buffer中，随后在另外一个单独的光照计算的Pass中针对场景中的每一个光源依次读取G-buffer中的数据并混合，最终累积得到最后的光照。

2，Light Pre-Pass Rendering（光照预处理渲染 / 光照预通道渲染）

LPPR和DR 的主要区别在于他的G-Buffer中存储每个像素的光照信息，而不是完整的几何信息。这样带来的好处就是减少G-Buffer的大小进而减少内存带宽的消耗。

LPPR中主要存储以下数据：

（ 光源颜色 ）点乘（（光照方向） 叉乘（法线） ）

当然依照光照模型的不同，这公式可以是多样的，最后在光照计算中结合物体自身的漫反射纹理生成最终图像。

3，Light Indexed Rendering（光源索引渲染）

LIR和前两项技术不同，前两项技术在G-Buffer中存储的是光照计算所需要的信息，而LIR中G-Buffer换名为Light Index Texture，存储的是一个影响该像素的光源的索引。再利用这个索引去采样最终保存了光源信息的纹理。

具体过程如下：

第一步：为每个光源分配一个索引值，在屏幕空间上受影响的像素会将该光源的索引记录到RGBA中的其中一个通道上。

因此这个技术每个像素最多只有4个光源能够参与到计算，但因为颜色通道是8位的所以场景中可以存在256个不同的光源，因为一张Light Index Texture最多存储4个光源的索引，在选择要存储哪个光源就要另外做判断了。

但如果不限制Light Index Texture的数量的话，每个像素理论上是可以支持任意数量的光源参与到计算的，只要增加Light Index Texture的数量即可。

第二步：这一阶段对于屏幕上的每一个像素首先会根据Light Index Texture上的光源索引，通过这个光源索引去查询存储了光源信息的纹理，比如光源位置纹理、光源颜色纹理、光源衰减纹理等，最终再结合应用程序传入的漫反射纹理、法线等着色数据信息渲染出最终的颜色。

总结：

从移动 GPU 的角度来看，这三种方案实际上是在不同资源之间做权衡：

• Deferred Rendering：用显存和带宽换取较低的几何处理开销。
• Light Pre-Pass Rendering：减少 G-buffer 带宽，增加一次几何渲染。
• Light Indexed Rendering：进一步减少 G-buffer 开销，将问题转移到光源索引管理和光源数据查询上，并且能够支持硬件 MSAA，因此更适合带宽受限、但需要较高图像质量的移动平台。