PBR 与渲染优化

PBR

全称（physically based rendering），基于物理的渲染

理论

基础介绍

• 基于能量守恒定律
• 基于微平面的表面模型
• 应用基于物理的BRDF （双向反射分布函数 bidirectional reflectance distribution function）

微平面模型：

在微观视角下，所有平面都是粗糙的，使用一个统计学的方法来估计表面的粗糙程度

一些概念：

• 辐射通量：辐射通量Φ表示的是一个光源所输出的能量
• 立体角： 投射到这个单位球体上的截面的面积就被称为立体角(Solid Angle)，可以理解为一个带有体积的方向
• 辐射强度：辐射强度(Radiant Intensity)表示的是在单位球面上，一个光源向每单位立体角所投送的辐射通量，计算方式，辐射通量除以立体角ω
• 辐照度： 所有投射到点p上的光线的总和
• 辐射率： 表示一个区域平面上光线总量的物理量，受到入射(Incident)（或者来射）光线与平面法线间的夹角θ的余弦值cosθ的影响

光照

IBL

漫反射辐照

镜面IBL

渲染优化建议

GPU架构解读

由上章的分析，可以很容易给出渲染优化建议：

• 减少CPU和GPU的数据交换：

  • 合批（Batch）

  • 减少顶点数、三角形数

  • 视锥裁剪

    • BVH
    • Portal
    • BSP
    • OSP

  • 避免每帧提交Buffer数据

    • CPU版的粒子、动画会每帧修改、提交数据，可移至GPU端。

  • 减少渲染状态设置和查询

    • 例如：glGetUniformLocation会从GPU内存查询状态，耗费很多时间周期。
    • 避免每帧设置、查询渲染状态，可在初始化时缓存状态。

  • 启用GPU Instance

  • 开启LOD

  • 避免从显存读数据

• 减少过绘制：

  • 避免Tex Kill操作

  • 避免Alpha Test

  • 避免Alpha Blend

  • 开启深度测试

    • Early-Z
    • 层次Z缓冲（Hierarchical Z-Buffering，HZB）

  • 开启裁剪：

    • 背面裁剪
    • 遮挡裁剪
    • 视口裁剪
    • 剪切矩形（scissor rectangle）

  • 控制物体数量

    • 粒子数量多且面积小，由于像素块机制，会加剧过绘制情况
    • 植物、沙石、毛发等也如此

• Shader优化：

  • 避免if、switch分支语句
  • 避免for循环语句，特别是循环次数可变的
  • 减少纹理采样次数
  • 禁用clip或discard操作
  • 减少复杂数学函数调用

更多优化技巧可阅读：

• 移动游戏性能优化通用技法。
• GPU Programming Guide。
• Real-Time Rendering Resources。

蒙特卡洛算法