Deferred Shading介绍

在本文我将展示如何在XNA中使用deferred rendering。首先让我们理解什么是deferred shading，然后学习这个技术的几个步骤，从创建Geometry Buffer一直到管理材质。最后，我们介绍如何创建一个内容管道处理器使用这个技术。在每个步骤中，我会详细解释原理，在后面的章节中，有时我也会回到前面并重写某些代码。你最好理解不同的坐标系，例如世界空间、视空间和屏幕空间，这可以参考creators.xna.com上的Shader Series。

实时光照

现今的游戏中一个物体往往要被许多光源照亮，今天这仍是一个代价昂贵的操作，也没有一个完美的解决方案。让我们首先看一下解决这个问题的几种常用方法。

在Single-Pass光照方法中，每个对象对需要被绘制，所有光照运算都在一个shader中进行。可参加creators.xna.com上的示例。但一个shader有指令数量的限制，所以这个技术只适用于光源数量较少的情况(例如，Creator’s Club上的例子Shader Series 4: Materials and Multiple Light Sources（或本站的译文，注意：这个例子没有升级到XNA4.0）在SM 2.0中支持2个光源，SM 3.0支持8个。在某些游戏中，只需要少量光源，例如室外白天场景，这就是个较好的选择。这个技术的缺点是光源数量较少，而且shader计算会浪费在不可见的物体上。

另一个方法是Multi-Pass光照。对每个光源，物体光照的计算只在当前光源shader中进行。这会导致非常高的batch数量(调用Draw的次数)，最坏的情况会达到光源数量乘以物体数量。绘制不可见对象的缺点仍然存在，某些操作会重复多次，例如顶点的转换。Creator’s Club上的例子为Shader Series 5: Multipass Lighting。

Deferred Shading使用另一种不同的方法。首先，所有物体在不进行光照运算的情况下被绘制，然后对每个像素生成一组数据，这些数据包括位置、法线、高光颜色等。之后，将每个光源以一个2D后期处理的方式施加到最终图像上，这个过程使用的数据是在上一个pass中写入的。因为所有对象使用相同的shader ，导致引擎管理变得非常简单。我们无需基于对象使用的材质进行排序，调用绘制的数量减少到物体数量+光源数量。此外，光源计算只针对可见像素(这些像素生成最终的图像)。

Deferred Shading

让我们现在看一下deferred shading的细节。如前所述，我们首先需要绘制所有物体获取在后面的光照处理中需要的信息，这些信息存储在一个叫做Geometry Buffer (G-Buffer)的缓存中，存在在这个缓存中的数据通常是：

• Position – 这个数据对于区域光源（local lights，即不影响所有物体的光源）是必须的。全局光源（global light，例如环境光和单向光)均等地影响所有物体，而区域光源(点光源和聚光灯)只影响距离足够近的物体。所以我们需要每个像素的位置信息。
• Normal –除了环境光，法线对于任何一种光照计算都是必须的。它被用来确定一个表面是否被照亮，方法是计算光线方向和法线方向的点积。当生成法线时，我们还可以使用法线映射添加物体表面的细节。
• Color – 也被称为漫反射颜色（diffuse color）或反射率（albedo）。通常是来自于纹理的颜色。
• 其他数据 – 基于我们使用的光照模型，我们可能还会使用其他数据，例如：镜面高光强度（specular power），镜面高光颜色（specular intensity）等其他系数。

可见一个像素所需的数据是非常多的，因此 导致了deferred rendering的第一个缺点，称作memory usage，这是因为某些数据(法线，位置) 需要以一个很高的精度存储(floating point textures)；这也是这些年来deferred rendering只是作为一个可行性选择的主要原因。要加速这个处理，我们还需使用Multiple Render Targets。

完成上述步骤后，我们就获取了施加光照所需的所有数据。对场景中的所有光源，我们将对图像进行2D后期处理并生成shading信息。在这个步骤中，我们还可以计算阴影，Shadow Map技术可以很好地整合到deferred shading中。

在施加光照时，我们首先确定场景中的哪些区域会被光照亮，对这个区域中的每个像素，我们将从G-buffer获取对应的信息，然后基于光照公式计算当前像素的光照情况。每个光源的光照被混合，最后和颜色数据组合在一起获取最终图像。根据工作原理，我们可知只有可见的像素才会被处理。我们还能发现计算光照所需的时间与光照的影响范围紧密相关，这意味着许多小光源可能比少量大光源运行得更快。

分析工作流程你会发现deferred shading的两个缺点。因为相同的光照shader施加在所有像素上，而且我们只能将这么多数据存储在G-Buffer中，导致物体上的材质数量会有所限制。在实际生活中，一个shader作用在所有物体上，而在游戏中，我们通常使用指定的shader作用在指定的物体上，我们会在后面的章节中处理这个问题。第二个缺点是deferred shading无法处理透明物体，这是因为deferred shading只会处理最近的表面，解决方法也会在最后一章进行讨论。

最后，当绘制最终的图像时，我们还可以在这张图像上施加其他效果，例如体积雾（Volumetric Fog），发光（Glow），HDR，Bloom，Edge Smoothing，Screen-Space Ambient Occlusion等。

开始代码

在开始编码前，请下载Resources.zip(16MB)。它包含以下文件：

• Camera.cs 是一个处理相机的GameComponent，它来自于官网的Skinned Model示例。使用手柄的扳机键或键盘Z和X键进行缩放控制，使用右摇杆或WASD移动相机。
• QuadRendered.cs 是一个来自于Ziggyware的GameComponent，它帮助我们在屏幕上绘制一个用于后期处理的长方形。我不使用SpriteBatch而使用这个类替代是因为SpriteBatch无法处理某些shader变量，例如纹理和采样器。
• null_normal.tga和null_specular.tga是两张以后要用到的纹理。
• Models文件夹包含本教程用到的模型文件。

本文的代码会用在后面的章节中，如果你想略过此步，可以下载DeferredShadingTutorial01.zip，然后进入第二章。

本文会创建一个deferred renderer，它可以很容易地集成到已有游戏项目中。首先，在XNA中创建一个新项目，名为DeferredShadingTutorial，在项目中添加Camera.cs和QuadRenderer.cs。

然后，创建一个新GameComponent(右击项目，选择添加->新建项，然后选择GameComponent)，命名为DeferredRenderer并设置从DrawableGameComponent继承。

然后添加两个变量，一个用于Camera，另一个用于QuadRenderer，并在Initialize方法中进行初始化。现在的DeferredRenderer.cs代码如下所示：

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usingSystem;

usingSystem.Collections.Generic;

usingSystem.Linq;

usingMicrosoft.Xna.Framework;

usingMicrosoft.Xna.Framework.Audio;

usingMicrosoft.Xna.Framework.Content;

usingMicrosoft.Xna.Framework.GamerServices;

usingMicrosoft.Xna.Framework.Graphics;

usingMicrosoft.Xna.Framework.Input;

usingMicrosoft.Xna.Framework.Media;

 

 

namespaceDeferredShadingTutorial

{

    publicclass DeferredRenderer : Microsoft.Xna.Framework.DrawableGameComponent

    {

        privateCamera camera;

        privateQuadRenderComponent quadRenderer;

         

        publicDeferredRenderer(Game game)

            : base(game)

        {

             

        }

 

        publicoverride void Initialize()

        {

            camera = newCamera(Game);

            Game.Components.Add(camera);

            quadRenderer = newQuadRenderComponent(Game);           

            Game.Components.Add(quadRenderer);

            base.Initialize();

        }

 

        protectedoverride void LoadContent()

        {

            base.LoadContent();

        }       

 

        publicoverride void Update(GameTime gameTime)

        {

            base.Update(gameTime);

        }

 

        publicoverride void Draw(GameTime gameTime)

        {  

             

            base.Draw(gameTime);

        }

    }

}

为了管理场景我们还想创建一个叫做Scene的类，并添加方法进行初始化和绘制。代码如下：

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usingSystem;

usingSystem.Collections.Generic;

usingSystem.Text;

usingMicrosoft.Xna.Framework;

namespaceDeferredShadingTutorial

{

    classScene 

    {

        privateGame game;

        publicScene(Game game)

        {

            this.game = game;

        }

        publicvoid InitializeScene()

        {

        }       

        publicvoid DrawScene(Camera camera, GameTime gameTime)

        {

        }

    }

}

现在，将Scene类的对象插入DeferredRenderer.cs中，并在LoadContent中进行初始化。

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publicclass DeferredRenderer : Microsoft.Xna.Framework.DrawableGameComponent

{

    [...]

    privateScene scene;

    publicDeferredRenderer(Game game) : base(game)

    {

        scene = newScene(game);

    }

    protectedoverride void LoadContent()

    {

        scene.InitializeScene();

        [...]

    }

}

现在这个scene类并不复杂，但足够用于这个教程了。

最后在Game1.cs的构造函数中添加以下代码：

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publicGame1()

{

    [...]

    DeferredRenderer renderer = newDeferredRenderer(this);

    Components.Add(renderer);

}

现在我们完成了准备工作，可以进行后继步骤了。

显卡要求

为了实现本文中的技术，你的显卡需要支持Multiple Render Targets和floating point textures。对于ATI显卡来说，需要Radeon 9500以上，对于NVIDIA，需要6000系列以上。