前言

今天我們來聊一下游戲引擎中的光照算法，從最開始的Forward Render,到后來的Deferred Render再到后面的Clustered Forward Render以及Clustered Deferred Render，分析一下實現步驟以及它們的優缺點。

Forward Render

這個是最傳統的方法，對於多光源的處理比較有限，它的基本算法如下所示：

一般游戲引擎為了減少批次和處理光照的次數，會讓每個物體受影響的光源有個上限比如3個或者4個，而且一般是在一個shader里面直接處理多個光源的情況。這個在最開始的游戲引擎中比較常見。目前基本上只會使用在移動平台上。比如Unity和UE4移動平台的低配版本都是這樣的。

Deferred Shading

隨着游戲中支持光源的數量越來越多，傳統的Forward Render已經不能滿足游戲的需求，Deferred Shading應運而生，這個技術基本上是從Deferred shading in S.T.A.L.K.E.R. 進入大家的視野的。基本思路如下圖所示：

基本上GBuffe的內容大體如上圖所示，當然目前大多數引擎為了支持多材質一個會有一個字節用於寫入Material ID或者Shading Model ID(UE4)來區分不同的着色模型。

Tiled Deferred Shading

Tile Deferred Shading就是在Deferred Shading基礎上按一定像素大小分塊（比如32x32），計算每一塊中光源的數量，這樣我們可以對多個光源計算光照只讀取一次GBuffer信息，節省了帶寬。

Deferred Lighting

Cryengine3早期版本中使用過該技術，大體算法如下圖所示：

這個算法跟Deferred Shading差不多，目前基本上沒有引擎再使用這個方法。

Forward Plus Shading（Tiled Forward Rendering）

Forward+ Rendering最初是從AMD的論文Forward+: Bringing Deferred Lighting to the Next Level開始流行起來的。基本算法如下圖所示：

Clustered Forward Rendering

在Forward+ Rendering的基礎上又沿着相機深度的方向切了很多片。

Clustered Deferred Rendering

Clustered Forward Rendering也即是在Tiled Deferred Rendering的基礎上又沿着相機深度的方向上進行了切片。

切片算法

總結

到這里我們把基本的光照算法都講一遍了，讀者可以看到上面的這些光照算法無非就是下面的幾種組合：Forward/Deferred + (Tiled/Clustered)?，這里?代表0或1。演進過程是這樣的，最開始只有傳統的Forward Rendering，為了解決多光源的問題，引入了Deferred Rendering，帶來了很多好處，包括各種后期效果。但是帶寬是個問題，於是出現了Forward Plus(Tiled) Rendering解決帶寬問題，也就有了Tiled Deferred Shading，但是還可以進一步優化，那就是在Tile的基礎上再切片，於是就有了Clustered Forward Rendering和Clustered Deferred Rendering。下面我們列個簡單的表格來對比下他們的優缺點。

光照算法	優點	缺點
Forward Rendering	實現最簡單。 MSAA和透明渲染都能正常工作。帶寬消耗小。	對大規模點光源支持不好。對各種需要深度和法線的后期處理算法不友好。
Deferred Shading	支持大規模點光源。對各種需要深度和法線的后期處理算法很友好。	帶寬消耗大。 MSAA和透明渲染支持不友好。顯存消耗大。
Forward+ Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工作。帶寬消耗小。支持大規模光源。	對各種需要深度和法線的后期處理算法不友好。強制需要一個Pre-Z Pass
Tiled Deferred Shading	支持大規模點光源對各種需要深度和法線的后期處理算法很友好。相對Deferred Shading帶寬消耗在光源計算的時候會減少。	帶寬消耗大 MSAA和透明渲染支持不友好。顯存消耗大。
Clustered Forward Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工作。帶寬消耗小。支持大規模光源。相對Forward+ Rendering在光源多的時候會有效率提升。	對各種需要深度和法線的后期處理算法不友好。強制需要一個Pre-Z Pass
Clustered Deferred Shading	支持大規模點光源對各種需要深度和法線的后期處理算法很友好。相對Deferred Shading帶寬消耗在光源計算的時候會減少。相對Tiled Deferred Rendering在光源很多的情況下會有性能提升。	1、帶寬消耗大 2、MSAA和透明渲染支持不友好。 3、顯存消耗大。

從上表可以看出，這些算法的優缺點基本就是Forward/Deferred以及Tiled/Clustered優缺點的組合。

參考文章

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光照算法	優點	缺點
Forward Rendering	實現最簡單。 MSAA和透明渲染都能正常工作。帶寬消耗小。	對大規模點光源支持不好。對各種需要深度和法線的后期處理算法不友好。
Deferred Shading	支持大規模點光源。對各種需要深度和法線的后期處理算法很友好。	帶寬消耗大。 MSAA和透明渲染支持不友好。顯存消耗大。
Forward+ Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工作。帶寬消耗小。支持大規模光源。	對各種需要深度和法線的后期處理算法不友好。強制需要一個Pre-Z Pass
Tiled Deferred Shading	支持大規模點光源對各種需要深度和法線的后期處理算法很友好。相對Deferred Shading帶寬消耗在光源計算的時候會減少。	帶寬消耗大 MSAA和透明渲染支持不友好。顯存消耗大。
Clustered Forward Rendering	MSAA和透明渲染都能正常工作。帶寬消耗小。支持大規模光源。相對Forward+ Rendering在光源多的時候會有效率提升。	對各種需要深度和法線的后期處理算法不友好。強制需要一個Pre-Z Pass
Clustered Deferred Shading	支持大規模點光源對各種需要深度和法線的后期處理算法很友好。相對Deferred Shading帶寬消耗在光源計算的時候會減少。相對Tiled Deferred Rendering在光源很多的情況下會有性能提升。	1、帶寬消耗大 2、MSAA和透明渲染支持不友好。 3、顯存消耗大。