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功能模块 {#ZsWorld_Module}

USD、几何与场景结构设计

设计思路

具体说明

场景状态异步更新与可视化同步

设计思路

具体说明

描边

算法思路

使用JFA(Jump Flood Algorithm)做描边，该算法的优点是通用，对mesh没有特殊要求，只要能渲染都可以做描边，而且开销良好。

具体流程

  1. 使用简单的shader将待描边的物体渲染到一个单独的color attachment中，使用场景深度进行深度测试，关闭深度写入
  2. 假设外扩像素值为n，做以下循环:
    1. n = n / 2
    2. 后处理，在当前color attachment中，采样当前像素以及横或纵距离为n的像素(x∈[x - n, x, x + n], y∈[y - n, y, y + n])，写入到另一个color attachment中
    3. 如果n==1，停止循环
    4. 将采样color attachment与当前color attachment互换
  3. 将当前color attachment结果覆盖到主渲染color attachment中

其他

  1. 参考：
    1. https://zznewclear13.github.io/posts/calculate-signed-distance-field-using-compute-shader/
    2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/222901923
  2. 具体实现在SceneEditorOutline.cpp中
  3. 该算法需要进行log(N)次后处理
  4. 外扩像素数量只有是2的次方时才是精确的n - 1，例如7会被算法分解为3 + 1，实际上只会外扩4个像素，而8则被分解为4 + 2 + 1，外扩7像素。

视锥剔除

算法思路

在CPU端测试待渲染物体的AABB是否与相机视锥相交，若存在相交则允许渲染

具体流程

  1. 初始化mesh时遍历mesh顶点，计算物体的local space AABB
  2. 渲染mesh前更新它的model matrix(skinning)
  3. 将local space AABB通过model matrix转为world space AABB，因此这个world space AABB是不够紧凑的，但优点是计算比较快
  4. 当前帧渲染前更新相机view矩阵，根据view矩阵以及fov等信息计算相机视锥体六个面的world space表示
  5. 在渲染时获取物体的world space AABB，与相机视锥体的六个面分别进行测试，AABB在面内则表示物体在视锥内

其他

  1. 参考：
    1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/491340245
    2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/97371838
  2. 这里进一步优化了文章里面的思路，对于每一个视锥体面，仅取距离它最近的AABB顶点进行测试，而不是最远和最近点，计算量缩减一半

Reversed-Z

算法思路

float值距离0越近则精度越密集，越远则越稀疏。 在实际渲染中距离相机稍微有一定距离的片元，深度就已经超过0.9，场景中的大部分深度落在[0.9, 1.0]这个区间内，很容易因此出现z-fighting的现象。 通过倒转z深度值，将[0, 1]改为[1, 0]，可以使场景深度精度表示更均匀，大大减缓z-fighting问题。

具体流程

  1. 如果开启reversedZ，则在setPerspective中交换far和near值
  2. 使用glm::perspectiveZO，这个函数可以使深度映射到[0, 1]区间内
  3. 在需要拿到深度的地方处理reversedZ的情形，例如各种深度测试。

其他

  1. 参考
    1. https://tomhultonharrop.com/mathematics/graphics/2023/08/06/reverse-z.html
    2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/341495234

遮挡剔除

算法思路

使用Vulkan的occlusion query做遮挡查询，对每一个mesh的AABB进行光栅化，根据query结果确定该物体是否完全被遮挡。

具体流程

  1. 初始化occlusion query相关的上下文，具体实现见SceneEditorOcclusionQuery.cpp
  2. 在渲染所有opaque物体之后进行遮挡查询，使用此时的深度图
  3. 遮挡查询阶段提交物体的world space AABB做query，维护物体的occlusion id，将该物体的query结果记录在对应的occlusion id下
  4. 对于被视锥剔除掉的物体，直接跳过它的遮挡查询
  5. 在下一帧的opaque渲染前再查询结果，可以避免CPU等待GPU完成遮挡查询，但是由于未知的validation问题，现在的实现是在当帧拿到query result

其他

  1. 参考 1.
  2. 可以考虑使用场景树优化，把场景中物体的AABB进行合并，对于AABB小于某个阈值的树节点进行查询，可以有效避免大量小型物体产生过多的drawcall提交
  3. 把被视锥剔除的物体标记为已通过遮挡查询，可以避免视野外的物体进入视野内的那一帧产生跳变
  4. 可以考虑用compute shader去优化

透明渲染

算法思路

使用weighted OIT方法进行透明混合，该方法通过改变透明混合公式，解放了透明混合的顺序依赖，从而可以通过两次render pass实现OIT，而且不需要任何排序行为。

具体流程

其他

  1. 参考
    1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/487577680
    2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/353940259
  2. 该方法同时也导致透明物体有一定的色差(相对于真·半透明而言)，但是对于移动端而言是比较优的方法
  3. 其他OIT方法有深度剥离、双向深度剥离、per-pixel linked lists等，是无损但是开销相对较高的方法

灯光管理

算法思路

为了实现高性能实时多光源，这里采用Clustered Forward Shading，也就是Forward+方式来做灯光渲染。 Forward+的核心就是它将视锥体划分为了多个cluster，每一个片元都有其所属的cluster，于是对于每一个片元，可以仅计算影响了所属cluster的光源，大大减少了光照计算量。

具体流程

  1. 在CPU端，对灯光进行视锥剔除，将剔除后的灯光列表传给GPU，这一步是可选的
  2. 在compute shader中根据灯光信息，计算灯光覆盖的cluster，当灯光覆盖了一个cluster，就将这个灯光加入这个cluster的灯光列表
  3. 在mesh片元着色阶段，计算该片元对应的cluster id，获取这个cluster的灯光列表，依次遍历列表内的灯光信息进行着色计算

其他

  1. 参考
  2. ??

着色模型

算法思路

使用经典的Cook Torrance模型

具体流程

Color = (Kd * Lambert + D * F * G / (4.0 * NV * NL)) * Light 其中 Kd为漫反射系数 Lambert = Albedo / PI D为法线分布函数，表示能够反射光线的微表面的比例 F为菲涅尔项，由视线与光线的角度关系衡量，反映经由微表面反射出的光线比例 G为几何函数，表示微表面中自遮挡的比例 Light = NL * intensity * lightColor

其他

  1. 参考
    1. https://github.com/QianMo/PBR-White-Paper