引言：
GameByro作為一款次世代引擎，使用了復(fù)雜的材質(zhì)系統(tǒng)，用來滿足各種各樣的需求。材質(zhì)代表了物體受到光照后所呈現(xiàn)出的質(zhì)感，而這種質(zhì)感在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中需要著色代碼來完成，所以當(dāng)前流行的圖形引擎設(shè)計(jì)是使用被渲染對象的材質(zhì)與shader相關(guān)聯(lián)，GameByro也不例外。GameByro的材質(zhì)系統(tǒng)可以通過shade tree生成shader程序，增強(qiáng)了應(yīng)用程序?qū)訉删幊啼秩竟芫€的控制能力。
渲染架構(gòu)概覽：
在GameByro中，對象表面的色彩、紋理、光滑度、透明度、反射率、折射率、發(fā)光度等可視屬性與傳統(tǒng)的材質(zhì)系統(tǒng)分離，獨(dú)立的成為了對象的渲染屬性（NiProperty），而材質(zhì)（NiMaterial）僅用來對著色程序的封裝，這樣就實(shí)現(xiàn)了渲染數(shù)據(jù)和渲染方法的分離，降低了耦合性。如上所說的這些可視屬性在Gamebyro中會封裝成一個(gè)屬性對象，在應(yīng)用程序中如果對對象掛載這個(gè)屬性對象，在GPU程序中就可以訪問這個(gè)屬性對象的值。渲染屬性對象可以在創(chuàng)建時(shí)指定其類型，如紋理、浮點(diǎn)、矩陣、向量或數(shù)組，此外一些全局性的對象也可以通過在Shader中用語意聲明為全局object對象，如燈光和攝影機(jī)等，這樣就可以以同樣的方式來訪問這些對象上的屬性。
GameByro每一幀的渲染（NiRenderFrame）劃分為多個(gè)步驟（NiRenderStep），每個(gè)步驟又包含很多個(gè)批（NiRenderClick），NiRenderFrame封裝了上層對渲染系統(tǒng)調(diào)用的接口，而NiRenderClick則代表了圖形硬件的一次繪制操作（對渲染隊(duì)列中所有的對象的頂點(diǎn)緩存調(diào)用DrawPrimitive），當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用NiRenderFrame的Display接口時(shí), NiRenderFrame會依次調(diào)用每一個(gè)NiRenderStep的Render()接口，NiRenderStep就會執(zhí)行所有的NiRenderClick操作。
對于每個(gè)NiRenderClick來說，首先要設(shè)置視口和渲染目標(biāo)，也就是渲染數(shù)據(jù)流的入口和出口。視口建立以后就可以通過關(guān)聯(lián)的攝影機(jī)對場景圖中的對象進(jìn)行裁剪（默認(rèn)的有視口裁剪和遮擋裁剪，此外還可以通過回調(diào)函數(shù)加入自己的裁剪方式），將未被裁剪的對象放入渲染隊(duì)列。然后Gambyro會根據(jù)材質(zhì)來對渲染隊(duì)列中的對象進(jìn)行排序，讓材質(zhì)相同的對象處于相鄰位置，這樣可以減少切換shader的開銷。
如圖所示為幀渲染系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（簡化版）
材質(zhì)系統(tǒng)：
GameByro中的材質(zhì)代表渲染對象所采用的方法。前面說過。紋理屬性包含了著色所需的原料，那么材質(zhì)就指定了對這些原料的加工方法。基于當(dāng)前可編程渲染管線設(shè)計(jì)，材質(zhì)就成為連接對象與GPU程序的中間層，應(yīng)用程序可以通過材質(zhì)將shader應(yīng)用于幾何體。
NiMaterial類是所有材質(zhì)的基類，這個(gè)類通過一個(gè)Map來保存當(dāng)前應(yīng)用程序中所有NiMaterial的指針，當(dāng)然這個(gè)Map是靜態(tài)也就是說相當(dāng)于全局變量，通過static NiMaterial* NiMaterial:: GetMaterial(const NiFixedString& kName)接口對這個(gè)全局的Map進(jìn)行訪問。也就是說，當(dāng)前環(huán)境中所有的NiMaterial對象是通過NiMaterial類來管理的。此外NiMaterial類還通過靜態(tài)成員變量保存了一個(gè)工作路徑（即shader文件路徑），通過這個(gè)路徑加載shader文件。NiMaterial就像是一個(gè)中介，全權(quán)代理對對象的渲染工作。用戶可以通過重載NiMaterial來實(shí)現(xiàn)自己的渲染機(jī)制。每個(gè)NiMaterial都是全局性的，可以作用于多個(gè)甚至是所有的渲染對象，但一個(gè)渲染對象也可以擁有多個(gè)NiMaterial，但只能有一個(gè)處于激活狀態(tài)的NiMaterial。
NiMaterial的派生類NiFragmentMaterial提供了對可編程渲染管線完整的控制機(jī)制，內(nèi)部保存了NiShader的哈希表、一個(gè)NiGPUProgramCache數(shù)組。并且NiFragmentMaterial會生成一個(gè)用來編譯GPU程序的shade tree（后面會有解釋）。這樣的話，每個(gè)NiFragmentMaterial可以對應(yīng)多個(gè)shader程序，這樣就提供了一種機(jī)制，在運(yùn)行時(shí)根據(jù)不同的運(yùn)行環(huán)境和渲染對象不同的狀態(tài)，來選擇合適的shader程序。在NiRenderClick依次渲染可見集中的每個(gè)對象時(shí)，首先會判斷其是否需要被渲染的標(biāo)記（flag），如果需要被渲染，則使用NiMaterial::IsShaderCurrent接口判斷當(dāng)前shader（上一次渲染所使用的shader）是否有效，所謂有效就是仍然存在并且可以應(yīng)用于本次的渲染對象，如果無效，則會調(diào)用NiMaterial::GetCurrentShader獲得shader，用于本次渲染。NiMaterial::GetCurrentShader會根據(jù)渲染對象的屬性和當(dāng)前環(huán)境硬件條件來選擇合適的shader程序。當(dāng)然，可以通過重載IsShaderCurrent和GetCurrentShader接口來指定自己的有效性判斷規(guī)則和如何選擇shader程序的方案。 NiFragmentMaterial提供了一套搭建shade tree的框架，用戶可以通過重載來搭建自己的shade tree，當(dāng)然，如果不想通過shade tree的形式生成shader程序也可以，使用NiSingleShaderMaterial可以從文件生成shader程序。
Shade Tree：
什么是shade tree呢？我們通常編寫的shader代碼是線性執(zhí)行的，即每個(gè)pass流程執(zhí)行的是文本上定義好的shader流程，每一段shader功能模塊是按一定順序依次執(zhí)行的。如果需要修改流程中的某一部分就需要更改相關(guān)的shader代碼并重新編譯。而shade tree將shader代碼以樹形結(jié)構(gòu)組織起來，每一個(gè)shader代碼塊（一般是一個(gè)函數(shù)）都會被編譯成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過定義輸入變量和輸出變量來提供數(shù)據(jù)流的入口和出口，這些節(jié)點(diǎn)的插入和刪除可以通過應(yīng)用程序來控制，從而靈活的控制整個(gè)渲染過程。這樣shader程序中的一些核心模塊可以由美術(shù)通過工具生成，然后插入到shade tree中，只要輸入和輸出的接口不變，就無須修改其他代碼，從而降低了美術(shù)開發(fā)shader的門檻。
GameByro通過以下幾個(gè)類搭建shade tree:
l NiMaterialConfigurator：shade tree被封裝在這個(gè)對象中，Uniform constants被封裝在NiMaterialResource中，而NiMaterialNode封裝了相關(guān)的shader代碼，所有的資源和節(jié)點(diǎn)通過NiMaterialResourceBinding連接起來。當(dāng)所有的連接都確立以后，NiMaterialConfigurator會調(diào)用Evaluate接口生成GPU程序和一個(gè)輸入U(xiǎn)niform資源的集合。
l NiMaterialFragmentNodes：這個(gè)類包含了一個(gè)shader代碼片段的集合，這些代碼片段為不同的平臺和編程語言所編寫。這就為shader程序員提供了更大的靈活性，用以控制他們的代碼在不同平臺和圖形硬件上的表現(xiàn)。例如：在高端平臺可以采用高級的shader model提供更好的效果，而在低端平臺上可以關(guān)閉一些特效來加快速度。
l NiMaterialNodeLibraries：這個(gè)類是一個(gè)NiMaterialNode的集合，其實(shí)也就是一個(gè)shader庫。它允許shade tree節(jié)點(diǎn)完全基于數(shù)據(jù)驅(qū)動。shader庫的生成可以通過兩種方式，解析XML文件或用XML文件生成C++代碼。GameByro提供了相關(guān)的解析器和代碼生成器。
l NiMaterialResources：shade tree中的Uniform constants，支持多種數(shù)據(jù)類型，包括Constant、Predefined、Attribute、Global、Object。
固定管線的渲染：
GameByro支持固定管線的渲染，其紋理混合過程如下。
固定管線的著色處理流程
上圖很清楚的顯示出了每個(gè)stage的操作，平行的表示兩張紋理的采樣是同時(shí)進(jìn)行的，特定情況下右邊的紋理可能被忽略。
大部分情況下，應(yīng)用程序不會使用上面所有的stage，開啟或者關(guān)閉那個(gè)stage可以由應(yīng)用程序來指定。
以下為多重采樣的原理圖:
固定管線的紋理多重采樣
缺省的著色處理流程：
GameByro提供了一個(gè)默認(rèn)的著色處理流程，封裝在NiMaterial的派生類NiStandardMaterial中，這個(gè)類執(zhí)行類似于固定管線的流程，在不同階段將紋理采樣、并將采樣到的數(shù)據(jù)混合到最終的結(jié)果中去。
GameByro默認(rèn)的材質(zhì)系統(tǒng)的特性如下：
- Skinned and unskinned transformations. Skinned transformations can support up to 30 bones per draw call.
- Vertex colors
- Base maps
- Normal maps
- Parallax maps
- Dark maps
- Detail maps
- Bump environment maps
- Gloss maps
- Glow maps
- Decal maps (up to 3)
- Cubic and spherical environment maps
- Point/Spot/Directional/Ambient lights contributing to the diffuse, specular, and ambient color. Up to 8 total lights. Per-pixel or per-vertex.
- Projected light maps. Clipped or unclipped. (Up to 3)
- Projected shadow maps. Clipped or unclipped. (Up to 3)
- Texture transforms per map.
- Per-vertex fog
下圖顯示為不同的紋理、燈光、材質(zhì)屬性的組合過程，不過需要注意的是，視差貼圖和凹凸貼圖屬于特殊的情況，它們僅僅影響到紋理采樣的UV坐標(biāo)，而并非直接對最后的顏色值產(chǎn)生貢獻(xiàn)。視差貼圖會改變所有貼圖采樣的UV坐標(biāo)，而凹凸貼圖僅對環(huán)境貼圖的UV產(chǎn)生影響。
以上流程完全由shade tree構(gòu)建，NiStandardMaterial提供了大量的函數(shù)接口用于對每個(gè)流程的控制，用戶可以通過重載相關(guān)的接口，插入自己的shade tree節(jié)點(diǎn)，修改每一步的操作或處理過程。例如：
virtual bool HandleBaseMap(Context& kContext, NiMaterialResource* pkUVSet,
NiMaterialResource*& pkDiffuseColorAccum,
NiMaterialResource*& pkOpacity, bool bOpacityOnly);
當(dāng)然，整個(gè)流程的順序和結(jié)構(gòu)修改起來比較困難，如果有需要可以定制自己的材質(zhì)系統(tǒng)，搭建自己的shade tree。
NiStandardMaterial提供了若干回調(diào)函數(shù)，這些函數(shù)可以動態(tài)的修改流程，分割PASS，對shader運(yùn)行失敗進(jìn)行容錯(cuò)。
l SplitPerPixelLights/SplitPerVertexLights:這兩個(gè)函數(shù)分別作用于逐頂點(diǎn)光照和逐像素光 照，當(dāng)物體所受的光源數(shù)量太多，超過了頂點(diǎn)或像素著色器的能力時(shí)，通過這些函數(shù)可以將失敗的pass分割成兩個(gè)，如果分割出的pass仍然不能執(zhí)行，那么函數(shù)會被遞歸調(diào)用，直到每個(gè)pass只有一個(gè)光源為止。
l SplitTextureMaps：這個(gè)函數(shù)會把對紋理采樣的pass進(jìn)行分割，當(dāng)紋理查詢過多時(shí)，頂點(diǎn)或像素著色器就會過于復(fù)雜，這時(shí)就可能導(dǎo)致shader運(yùn)行失敗。此函數(shù)只能迭代一次，生成一個(gè)額外的pass。
l DropParallaxMap：這個(gè)函數(shù)用來從幾何體上移除視差貼圖，且不產(chǎn)生額外的pass。
l DropParallaxMapThenSplitLights：這個(gè)函數(shù)首先調(diào)用DropParallaxMap移除視差貼圖，然后一直調(diào)用SplitPerPixelLights直到失敗為止。
NiMaterialInstance：
NiMaterial并不是直接與NiRenderObject相關(guān)聯(lián)，而是經(jīng)過了NiMaterialIstance這個(gè)中間層，由它來代理將NiMaterial關(guān)聯(lián)到幾何體，它負(fù)責(zé)調(diào)用NiMaterial為NiRenderObject生成NiShader，通過改變NiMaterialIstance上的接口SetMaterialNeedsUpdate，可以決定每一幀NiRenderObject所使用的材質(zhì)是否需要被更換，通過接口SetDefaultMaterialNeedsUpdateFlag，可以決定當(dāng)前材質(zhì)所需的數(shù)據(jù)（即當(dāng)前渲染流程所需的數(shù)據(jù)）是否要被更新。這樣每個(gè)NiMaterialIstance只能被一個(gè)NiRenderObject所擁有，而多個(gè)NiMaterialIstance可以共享一個(gè)NiMaterial，這樣就減少了重復(fù)創(chuàng)建NiMaterial的時(shí)間和空間上的開銷，同時(shí)降低了渲染對象個(gè)材質(zhì)之間的耦合度。
如下為材質(zhì)系統(tǒng)的類結(jié)構(gòu)簡化圖：
渲染屬性：
前面提到過，GameByro將渲染所需要加工的數(shù)據(jù)全部封裝在了NiProperty中，只要在shader中用指定的語法進(jìn)行聲明，就可以訪問這些屬性的值。
目前引擎中已經(jīng)定義了12種屬性，均派生自NiProperty，分別代表渲染數(shù)據(jù)的12種不同類型：
l NiAlphaProperty
l NiDitherProperty
l NiFogProperty
l NiMaterialProperty
l NiRendererSpecificProperty
l NiShadeProperty
l NiSpecularProperty
l NiStencilProperty
l NiTexturingProperty
l NiVertexColorProperty
l NiWireframeProperty
l NiZBufferProperty
用戶也可以自定義屬性類型，但所對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型要被shader語言所支持。
光照與陰影：
光照與陰影密不可分，因?yàn)殛幱熬褪怯晒庹债a(chǎn)生的，前面在材質(zhì)系統(tǒng)中已經(jīng)提到過光照對著色的影響，這里重點(diǎn)闡述，GameByro是怎樣根據(jù)光源產(chǎn)生陰影的。由GameByro提供的陰影均基于ShadowMap技術(shù)，
但也提供了ShaowVolume的示例代碼。
Shadowing System是完全建立在幀渲染系統(tǒng)上的， 通過一個(gè)RenderClick生成ShadowMap，然后在正常渲染流程開始之前將ShadowMap更新到可見集內(nèi)每一個(gè)渲染對象上。這樣當(dāng)渲染對象使用NiStandardMaterial時(shí)就會根據(jù)光源的陰影技術(shù)來對ShadowMap進(jìn)行采樣，并將結(jié)果與最終的輸出顏色按一定比例混合。
陰影系統(tǒng)由以下幾個(gè)類構(gòu)成：
GameByro提供了三種類型的Shadow Write Materials，分別為NiPointShadowWriteMaterial、
NiDirectionalShadowWriteMaterial、NiSpotShadowWriteMaterial，適用于三種不同的光源類型。
- Shadow Technique:這個(gè)類封裝了陰影算法的細(xì)節(jié)，包括生成ShadowMap和使用ShadowMap投射陰影。
- Shadow Render Click: 這個(gè)類是一個(gè)生成ShadowMap的批，這個(gè)類的對象是由shadow click generator負(fù)責(zé)生成。
- Shadow Click Validator: Shadow Render Click:通過此類對象判斷接受陰影的幾何體對于shadow generator來說是否可見。
- Shadow Map: 每個(gè)ShadowMap對象包含一個(gè)作為陰影圖的紋理，shadowmap對象由shadowManager直接管理，每個(gè)shadowmap對象都被一個(gè)shadow generator引用。
- Shadow Cube Map: 同shadowmap作用相同，只是陰影圖的紋理類型為CubeMap。主要用于點(diǎn)光源生成的全方向陰影。
- Shadow Generator: 陰影生成器，每個(gè)ShadowGenerator都對應(yīng)一個(gè)NiDyamicEffect（NiLight的基類），也就是為這個(gè)NiDyamicEffect代表的光源生成陰影， 生成陰影所采用的技術(shù)由對象引用的ShadowTechnique來決定。
- Shadow Click Generator: 生成ShadowMap的Shadow Render Click都由此類負(fù)責(zé)創(chuàng)建。這個(gè)類為每個(gè)ShadowGenerator指定ShadowMap，并負(fù)責(zé)每幀更新ShadowMap和ShadowMap所對應(yīng)的變換矩陣。
- Shadow Manager:所有的ShadowMap、ShadowTechnique、ShadowGenerator、shadow render click對象都由ShadowManager統(tǒng)一管理，并負(fù)責(zé)使用一個(gè)shadow click generator 在每一幀生成一個(gè)shadow render click的列表。
陰影系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)如下：
整個(gè)陰影渲染的流程大致如下：
1. 在應(yīng)用程序初始化階段，通過調(diào)用NiShadowManager的Initialize()接口實(shí)現(xiàn)對整個(gè)陰影系統(tǒng)的初始化，此時(shí)應(yīng)用程序會注冊所有的ShadowTechnique，并初始化NiShadowClickGenerator。
2. 當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)NiLight以后，我們可以通過NiShadowManager為這個(gè)NiLight新建一個(gè)NiShadowGenerator，NiShadowGenerator會通過NiLight的類型來選擇合適的NiShadowTechnique，此時(shí)NiShadowManager會為新的NiShadowGenerator創(chuàng)建一個(gè)NiShadowRenderClick。
3. 當(dāng)幀渲染系統(tǒng)啟動后，NiShadowRenderClick的PerformRendering()接口會被調(diào)用，此時(shí)NiShadowRenderClick會通過引用的NiGenerator獲得陰影生成的著色程序和所需的數(shù)據(jù)（例如深度偏移），同時(shí)通過NiGenerator引用的Camera獲得場景圖中的可見集。下一步就是對可見集中的渲染對象添加ShadowWriteMaterial并設(shè)為激活狀態(tài)，而ShadowWriteMaterial的類型是根據(jù)NiDyamicEffect的類型指定的。最后NiRenderClick就會啟動渲染流水線，將可見集中的對象的深度全部渲染到ShadowMap中。
4. 在第一個(gè)RenderClick中生成了ShadowMap，下面就要使用這些ShadowMap投射陰影。在每一幀開始之前，用戶還可以自己指定不接受陰影的節(jié)點(diǎn)，手動將其插入NiShadowGenerator：：m_kUnaffectedReceiverList中。在渲染BackBuffer的RenderClick中，首先會對場景圖中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次遍歷，將不受陰影的節(jié)點(diǎn)放入NiShadowGenerator：： m_kUnaffectedCasterList的列表。在對每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行渲染時(shí)，會遍歷NiShadowManager中所有的NiShadowGenerator，判斷這些NiShadowGenerator是否對這個(gè)節(jié)點(diǎn)有影響，判斷的規(guī)則是此節(jié)點(diǎn)是否存在于UnaffectedReceiverList和UnaffectedCasterList這兩個(gè)鏈表中，如果存在于任何一個(gè)鏈表，則節(jié)點(diǎn)不受此NiShadowGenerator影響，如果受此NiShadowGenerator影響，那么就將該NiShadowGenerator上的ShadowMap和數(shù)據(jù)更新到節(jié)點(diǎn)上的渲染屬性中，NiStandardMaterial會根據(jù)這些數(shù)據(jù)選擇對ShadowMap采樣的方式，并將結(jié)果混合到最終的輸出顏色中。
值得注意的是，點(diǎn)光源的shadowMap默認(rèn)的是采用CubeMap實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過接口選擇不使用CubeMap實(shí)現(xiàn)，當(dāng)采用CubeMap實(shí)現(xiàn)時(shí)，光源無法產(chǎn)生軟陰影。
渲染系統(tǒng)的擴(kuò)展：
為了驗(yàn)證GameByro渲染系統(tǒng)的擴(kuò)展性，筆者嘗試著加入了一個(gè)后期處理特效Screen Space Ambient Occlusion（SSAO）,即屏幕空間的遮蔽，由于僅僅為了熟悉GameByro的渲染流程，所以筆者并未對SSAO算法做深究，僅僅用了自己簡化的算法。
在渲染過程中先單獨(dú)使用一個(gè)RanderClick將場景中的深度渲染到一張紋理上，然后在渲染到后臺緩沖區(qū)的RenderClick中對深度紋理進(jìn)行采樣，執(zhí)行SSAO算法，將結(jié)果混合到最終的結(jié)果中。采樣點(diǎn)的偏移坐標(biāo)是通過對一組隨機(jī)向量進(jìn)行歸一化再乘以0~1之間的隨機(jī)數(shù)而生成的，即長度為0~1之間的隨機(jī)向量。
PS代碼如下：
float VerticalRange:GLOBAL; //控制XY方向采樣范圍變量，可以在應(yīng)用程序?qū)訉ζ溥M(jìn)行調(diào)整
float HorizontalRange:GLOBAL; //控制在Z方向采樣范圍的變量
float calAO(float2 texCoord,float dw, float dh ) //通過當(dāng)前像素所標(biāo)和偏移量計(jì)算AO
{
float2 coord = float2(texCoord.x + dw, texCoord.y + dh);
float4 CenterPos = tex2D(DepthSampler,texCoord);
float4 CurPos = tex2D(DepthSampler,coord);
float depthDiff = clamp(CenterPos.z - CurPos.z,0,VerticalRange);
float ao = depthDiff/length(CurPos.xyz - CenterPos.xyz);
return ao;
}
// Pixel shader
float4 PS_SSAO(VS_OUTPUT In) : COLOR
{
float2 texCoord = In.BaseTex;
float depth = tex2D(DepthSampler,texCoord).z;
float ao = 0.0;
float scale = HorizontalRange/depth; //因?yàn)椴蓸臃秶鷷苌疃扔绊懀食源讼禂?shù)。
for(int i=0; i<32; ++i)
{
float2 offset = arrRandomPt[i].xy* scale;
ao += calAO(texCoord, offset.x, offset.y);
}
ao/=32;
float4 color = tex2D(BaseSampler,texCoord);
color.xyz *= (1.0 - ao);
return color;
}
最終實(shí)現(xiàn)效果如下：
SSAO生成的明暗圖 無SSAO材質(zhì)
以下兩圖上圖為無SSAO效果，下圖為開啟SSAO后的效果。
總結(jié)：
GameByro的幀渲染系統(tǒng)是比較靈活，想加入自己的渲染流程是比較容易的，此外由于RenderTarget和RenderView都可以由用戶指定，所以想實(shí)現(xiàn)自己的shader效果不是很難。然而，NiStanderMaterial的shade tree比較復(fù)雜，總共高達(dá)6000行代碼以上，過程非常復(fù)雜，這就是說，如果想實(shí)現(xiàn)自己的材質(zhì)處理流程也要付出相當(dāng)大的工作量，陰影系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了較低的耦合度，但是實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜，不夠簡潔高效。
作者：葉起漣漪