傳統(tǒng)的畫家算法存在的問題

畫家算法指的是，畫家往畫布上繪畫的時(shí)候，先繪制遠(yuǎn)方的景物,再繪制近處的，一層層疊加在一起后，形成完整的一幅畫。

傳統(tǒng)畫家算法會(huì)有一個(gè)嚴(yán)重的問題,畫布上的某一個(gè)點(diǎn)，可能會(huì)反復(fù)的多次涂上不同的顏色(同一個(gè)點(diǎn)，有幾個(gè)景物疊加在此處)。假設(shè)有5個(gè)景物由遠(yuǎn)到近都在畫布上某個(gè)點(diǎn)繪制，根據(jù)畫家算法，先繪制物體1，再繪制物體2，最后繪制物體5,同一個(gè)點(diǎn)被涂了5次，但是只有最后這一次的顏色是有效的，其他的4次都是無效的。關(guān)鍵是每次著色，3D引擎都要計(jì)算顏色，光照，計(jì)算完著色上去后卻沒有用，這樣消耗性能的無用功,3D游戲引擎必須要很好的優(yōu)化它。

由近到遠(yuǎn)繪制，逆畫家算法

分析出來了畫家算法的問題，接下來是著手解決，游戲引擎采用的方式是反畫家算法由近到遠(yuǎn)繪制。畫家的畫布，相當(dāng)于是游戲的屏幕，畫布上的每個(gè)點(diǎn)，相當(dāng)于屏幕上一個(gè)個(gè)著色單元元(像素)。游戲引擎繪制物體的時(shí)候，先對(duì)物體進(jìn)行排序, 離攝像機(jī)最近的物體排在渲染序列的前面，離攝像機(jī)越遠(yuǎn)的物體排在后面。遍歷每個(gè)物體，針對(duì)每個(gè)物體的著色片元(物體要繪制到屏幕上的每個(gè)點(diǎn)),如果屏幕著色點(diǎn)已經(jīng)被更靠近攝像機(jī)的物體片元給占據(jù)了，那這個(gè)片元不用去計(jì)算光照著色,可以直接丟棄，如果沒有或更靠近攝像機(jī)，就繪制這個(gè)片元，并把片元距攝像機(jī)的深度信息保存起來,下一個(gè)片元來繪制的時(shí)候，就和這個(gè)深度信息做比較，如果離得更近，那么就替換原來得，如果遠(yuǎn)就丟棄,不著色。

我們結(jié)合上圖把算法實(shí)現(xiàn)完整的分析一遍。我們把屏幕畫布分成一個(gè)的著色點(diǎn)(像素)，每個(gè)著色點(diǎn)我們?yōu)樗峙湟粋€(gè)顏色緩存，一個(gè)深度緩存。顏色緩存用來存放屏幕著色點(diǎn)的顏色信息(RGBA)，深度緩存用來存放屏幕著色點(diǎn)的深度信息(距離攝像機(jī)的z值)。游戲引擎，根據(jù)物體距離攝像機(jī)的遠(yuǎn)近，將物體的繪制順序排序?yàn)椋合壤L制綠色物體A，再繪制藍(lán)色物體B。繪制綠色物體A的時(shí)候，需要占據(jù)屏幕的著色點(diǎn)綠色的區(qū)域(如圖)，而這些區(qū)域，剛開始沒有被任何物體的著色片元寫入過，將物體A著色片元(物體A需要繪制到屏幕上的像素點(diǎn))的顏色(綠色)寫入屏幕著色點(diǎn)的顏色緩存，并更新屏幕著色點(diǎn)的深度信息為物體A著色片元的深度信息。接下來繪制藍(lán)色的物體B, 它需要占用屏幕中的藍(lán)色的屏幕區(qū)域著色點(diǎn)。如上圖，外圍一圈的屏幕著色點(diǎn)，沒有任何物體著色過，所以直接將物體B的著色片元顏色(藍(lán)色)寫入顏色緩存，并更新對(duì)應(yīng)屏幕著色點(diǎn)的深度信息為藍(lán)色片元的深度。當(dāng)著色藍(lán)色物體被綠色物體擋住部分的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)屏幕上的著色點(diǎn)的深度信息是之前綠色片元的深度,而當(dāng)前藍(lán)色片元的深度,要更遠(yuǎn)離攝像機(jī)，所以不用著色，直接丟棄。這樣被綠色擋住的藍(lán)色物體的片元就不用計(jì)算著色了。

新的算法，也會(huì)引入新的問題

由近至遠(yuǎn)的繪制算法避免了物體被遮擋部分的不必要的物體片元著色計(jì)算，但是也帶來了一個(gè)新問題:Alpha透明度。同樣如上圖，如果綠色物體是一個(gè)半透明物體，希望透過綠色物體，能看到藍(lán)色物體，那么上面的算法先繪制綠色的物體，綠色的半透寫入顏色緩存(藍(lán)色物體還沒有進(jìn)來), 而后面藍(lán)色物體被綠色物體擋住的片元不會(huì)寫入顏色緩存,直接丟棄就會(huì)出現(xiàn)下圖的效果:

這可不是我們想要的結(jié)果，可是我們由近到遠(yuǎn)的繪制，必然會(huì)產(chǎn)生這樣的結(jié)果。那怎么辦呢？游戲引擎又設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)制，把要繪制的物體分成一個(gè)一個(gè)的渲染隊(duì)列，如下圖，我們一起來看下，半透效果是怎么做到的。

游戲引擎會(huì)為每個(gè)游戲物體指定一個(gè)渲染隊(duì)列，每個(gè)渲染隊(duì)列會(huì)有一個(gè)數(shù)值大小，游戲引擎根據(jù)物體所在渲染隊(duì)列先將要繪制的物體排序到渲染隊(duì)列中。如下

?? 渲染隊(duì)列A（2000）：物體A，物體B，物體C 。。。(由近到遠(yuǎn))

?? 渲染隊(duì)列B（3000）：物體1，物體2，物體3 。。。(由近到遠(yuǎn))

游戲引擎先繪制數(shù)值小的渲染隊(duì)列中的物體，再繪制數(shù)值大的渲染隊(duì)列中的物體。上圖的綠色物體A，在3000的渲染隊(duì)列, 藍(lán)色物體B，在2000的渲染隊(duì)列，所以游戲引擎先渲染渲染隊(duì)列2000的物體，那么藍(lán)色物體B的每個(gè)片元顏色，就寫入了顏色緩沖區(qū)，屏幕著色點(diǎn)深度信息也是物體B片元的深度信息。繪制完2000的渲染隊(duì)列后，顏色緩存中就是藍(lán)色了。接下來繪制渲染隊(duì)列3000中的物體，綠色物體A比藍(lán)色物體B距離攝像機(jī)要近，所以綠色物體的片元顏色就可以寫入到屏幕著色點(diǎn)顏色緩存區(qū)，根據(jù)Alpha混合，疊加顏色緩存之前的顏色，計(jì)算新出新的顏色寫入顏色緩存，這樣就實(shí)現(xiàn)了半透效果，并更新屏幕著色點(diǎn)的深度值為綠色片元深度值。

ZTest, ZWrite, Blend

經(jīng)過上面的講解，相信大家對(duì)3D引擎的著色有了一個(gè)比較深刻的認(rèn)識(shí)，接下來就是擺概念的時(shí)候了，我們一起來加深一下。

??深度測(cè)試ZTest: 每個(gè)要渲染的物體的著色片元著色到屏幕的著色點(diǎn)時(shí)候，首先要到屏幕著色點(diǎn)的深度緩存里面判斷一下，是否更靠近攝像機(jī)，更近的才著色，否則直接丟棄。這個(gè)過程我們叫做深度測(cè)試或ZTest。"更近"就是通過深度測(cè)試的法則，只有通過了，才會(huì)被寫入顏色緩存。為了更好的靈活性，引擎可以給用戶改變這個(gè)測(cè)試規(guī)則，默認(rèn)是更近(LESS),用戶也可以修改成更遠(yuǎn)(GREATE), 永遠(yuǎn)可以通過測(cè)試(ALLWAS)等。

?深度值寫入 ZWrite:?當(dāng)我們物體上的著色片元通過測(cè)試可以著色以后，我們的Shader會(huì)計(jì)算出顏色值，把顏色值寫入屏幕著色點(diǎn)，此時(shí)屏幕著色點(diǎn)的深度值應(yīng)該就是這個(gè)物體著色片元的深度值。更新完顏色后，就要往深度緩存里面更新深度值，這樣后續(xù)比當(dāng)前深度更遠(yuǎn)的物體著色片元就不會(huì)繪制了。引擎也提供一個(gè)開關(guān)，可以讓開發(fā)者控制，決定是否寫入深度緩存, 默認(rèn)ZWrite是開啟的，你也可以設(shè)置為關(guān)閉,這樣，物體的顏色寫入顏色緩存后，不會(huì)刷新深度緩存。還是上面的例子，綠色物體與藍(lán)色物體,我們把綠色物體的深度寫入關(guān)閉，你會(huì)發(fā)現(xiàn)藍(lán)色物體被綠色物體遮擋了也繪制到屏幕上了。

顏色混合Blend:?當(dāng)經(jīng)過深度測(cè)試，物體著色片元通過以后，就要計(jì)算著色，并寫入顏色緩存里，這個(gè)時(shí)候就需要處理混合當(dāng)前顏色與目標(biāo)顏色，顏色混合，我們又叫Blend操作。默認(rèn)的Blend是顏色直接覆蓋。還有一些常用的顏色混合的方法，比如Alpha混合等。Blend指的是混合片元顏色與顏色緩存區(qū)顏色，并更新到顏色緩存里。下面是游戲引擎里面支持的Blend操作，我總結(jié)了一下，常用的標(biāo)紅出來了,如下圖:

? 終于講完了渲染隊(duì)列，ZTest, ZWrite, Blend，如果還不過癮，今晚20:30分，可以來到我們騰訊課堂

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3D引擎核心解密: 渲染隊(duì)列 ZTest ZWrite機(jī)制

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