在欧美有着巨大人气的 FPS 游戏 KILLZONE 系列，作为开发小组的荷兰 Guerrilla Games 社，与那些开发最先端游戏引擎的 EPIC GAMES 、 CRYTEK 一起，走在业界技术领域的最前沿。该小组的最新作品 KILLZONE 2 不仅仅只是一款极具魅力的游戏，同样也成为了展现 PS3 特性的最佳舞台。

KILLZONE 2 在 2 月份发售后，就一直受到了非常高的评价，这一次就已在上个月洛杉矶举行的 GDC 技术研讨会中的内容为主题，分为前后两篇来介绍在 KILLZONE 2 中所使用的显示技术。

一般的 3D 游戏所采用的显示方法是，通过顶点处理 → 像素单位的阴影处理来进行的。如果非要将这个过程起上名字的话，那么就可以称为是向前渲染（ Forward Rendering ）或者画家算法。

在这个 Forward Rendering 过程中，图像引擎的渲染设置切换是以整个被演算物体来进行的，这样，像素渲染所得出的结果对于之后的距离计算会有很多无用的数据存在。导致了很多的渲染结果被废弃，白白的浪费了很多计算量。

另外，多通道渲染（ Multi-Pass Rendering ）中，也会有很多渲染由相同的几何多边形构成的场景的情况出现（等于是无意义的在重复这进行几何处理）。也就是说，使用 Forward Rendering 的话，经常会碰到在渲染过程中实际需要渲染的像素要比起画面所显示的像素多出许多或者是经常反复的重复计算同一物体的情况。

另外，需要将一个场景的渲染通过复杂的像素渲染程序进行并行操作的时候，只能让每一个像素渲染程序进行相同的计算，并且取他们的中间值来使用。如果这时正好碰到进行复杂的计算或者是纹理处理的情况，将会给 GPU 带来巨大的负荷。

在此，现在的人们也开始摸索着如何抛弃现有的 Forward Rendering 而使用其他技术。作为其中一个方法，就是最近开始流行起来的 延迟着色（ Deferred Shading ）技术。

在延迟着色（ Deferred Shading ） 中，场景内的多边形（几何）渲染过程是，首先原封不动的将有着重材质表现的像素渲染放到一边，让作为并行像素渲染程序所必要的中间值计算通过多个缓冲区进行先行的同时计算输出。此时起到关键作用的是从 DirectX 9 开始后具备的 多渲染目标 MRT （ Multi-Render-Target ）特性。MRT 具有可在一条渲染流水线中的多个缓冲区内同时输出不同数值的功能，在 DirectX 9 中可以同时输出 4 个， DirectX 10 则是 8 个。

通过 MRT 进行多个缓冲区（纹理）同时输出的内容，根据图形引擎的不同可以有所不同，不过无外乎是， Z 坐标值，构成多边形的像素单位的法线矢量数据， 高光反射值，反射率（匹配纹理后的结果）等。只要使用 MRT 技术 , 就能一次将多个这样的数据写入到多个缓存区内。

随后，由之前得出的中间值在画面坐标系上进行后处理后，在来进行最后的像素单位的渲染。因为是将像素单位的阴影处理放在后面进行，所以他被称作为延迟着色（ Deferred Shading ），顺便说一下的是，该方法提案者，是 Michael Deering 先生，他在 1988 年的 SIGGRAPH 1988 上第一次发表了这个技术。

作为 SONY 第一方软件商的杀手级作品， KILLZONE 2 被要求需要具备有 PS3 中最佳的画面效果。这样就必然的要走上大负荷渲染的道路，这也是渲染管线采用延迟着色的原因所在。

距离值（Z值，deps值）	镜头坐标系的矢量法线情报
镜面反射强度	高光强度
运动矢量	纹理色彩
Deferred Shading 渲染完毕后的效果	后处理完毕后的效果

在 KILLZONE 2 上所应用的 延迟着色，大致的阶段可以分为 ：

(1)几何路径(geometry path)(G-buffer 生成阶段)

(2) 光线路径(像素渲染)

最初的几何路径是指，先把重度像素渲染所进行的光照计算放到一边暂时不进行处理，随后对于场景内的全部多边形都采用普通的渲染。

PS3 所采用的 GPU 是称为 RSX 的 NVIDIA GeForce 7800 GTX 的简化版，因为是属于 DirectX 9 时代的 GPU ，所以能够并行进行 MRT 的数量为 4 个。对于 KILLZONE 2 的 Deferred Shading 的几何路径来说，在这 4MRT 上输出的内容就是如下图所示的 RT0 ～ 3 。

首先，尽管是使用 MRT 作为输出格式，但是因为 PS3 RSX 的 FP16-64bit 缓存总线性能不足，所以必然就要选择整数 32bit 缓存 (RGBA8) 。接着是因为渲染的分辨率为 1280×720 。抗锯齿使用的是 NVIDIA 的 Quincunx 2×MSAA ，所以需要消耗 1280×720×(RGBA8×4+D24S8)×2×MSAA 合计 36.8MB 的空间。

开发小组认为这样的话还是顶的住的，所以就以此作为了标准。另外，4MRT 所输出的各个中间值缓冲区可以通过后面所说的后处理转换成低分辨率版后再利用。

那么，现在让我们再来按照顺利在看一看 4MRT 所输出的各个缓冲区（ G  buffer ）的内容吧。

距离 / 模板缓存是用来收录场景完成后场景距离的数值的。在之后进行光照计算时一但需要摄像机坐标位置，就可以对于这个距离值进行逆向计算来得出结果。

RT0 的 Lighting Accumulation Buffer(LAB) ，是在后期进行像素光照时需要用到的记录射入光线数据的缓冲区。在一开始的几何路径中， LAB 是用来输出光照图，以及用在 Light Probe （光探针）中模拟全局光照、环境光等所需要用到的数据。LAB 的 α 通道部分收录了 HDR 的亮度值 , 该值的范围为 0.0~2.0 。KILLZONE 2 的 HDR 是使用了 32bit 缓存来模拟 HDR 渲染。

RT1 是用来收录几何路径中，各个像素在摄像机坐标系中的法线矢量 x ，y 的数据。法线图的适用结果也被收录在此。为了让矢量法线的数值能够被正确的逆向计算（绝对值 =1 ） Z 轴的数据并没有被收录在此。具体可以用 z=√(1-x^2-y^2) 来求（因为 Z 的符号是绝对值，所以这样计算并没有什么大错误） 。

矢量法线 x ， y 的数据形式是 16bit 浮点（ FP16 ），这个时候 , 可以利用 NVIDIA GPU 特有的 unpack_4ubyte 命令来将 FP16 × 2 作为 32bit 整数缓存进行操作。

RT2 的 R 和 G 在 几何路径中是用来收录画面坐标运动的矢量数据（ Motion Vector ）。关于这个 RT2 的活用我们会在后面的动态模糊的章节里讲到。RT2 的 B 通道 和 α 通道中加入了有特定参数的镜面反射数据。其中的 B 收录了该参数的系数值与对数值 log2(n)/10.5 ，而 α 则收录了表示到底要进行多少强度的镜面反射强度值（ Specular Intensity ）

在 RT3 的 RGB 中则收录了适用于物件的纹理色彩数据 .RT3 中的 α 通道则收录了事先计算出的平行光源 ( 太阳光 ) 照射出的静态光影的渲染结果。

刚进行完毕几何路径的 Lighting Accumulation Buffer。这是仅仅只进行完静态光照渲染的画面。因为是测试画面的关系并没有用上纹理。	刚进行完毕几何路径的Lighting Accumulation Buffer。这是进行完动态光照渲染后的画面，因为是测试画面的关系并没有用上纹理。2张图的区别上，请大家注意阴影的不同以及影子的有无。

光线路径是为了调和每一帧中高达 100 个以上（某些情况甚至会超过 300 ）的动态光源与 10 个以上的会照射出阴影的光源相结合的重要过程。

Forward Rendering 中的 3D 物体基准里是以 3D 物体是被什么样的光所照射的这一概念来进行光照 渲染 的，对于在 Deferred Shading 中已经完成好的 2.5D 映像，则由类似于图像处理的后处理来对于光源进行光照渲染。比如说，如果有 300 个光源的话，就要对画面进行 300 次后处理。

如果用比较抽象的话来说说明这个步骤的话，就是指给在几何路径中制作出来的那些未着色的物体来进行打光上色的这一过程。就算是有无数个光源被设置在场景内，也并不一定代表这些光源都会照亮其他物体。在 Forward Rendering 中，有不渲染那些着看不见的物体的方法，在 Deferred Shading 中，则有不计算那些对于其他物体没有影响的光源的这样一种优化手段。

另外，就算是会照射到其他物体的光源，也可以先计算到底照射到了画面中的多少个像素的面积，随后只对那些受到照射的像素进行光源渲染。因为点光源的照射范围是呈球状，所以对于这个光线照射范围的球体，对照着几何路径流程后的场景的距离（ Z ）值，在再其他 Z buffer 上进行进行渲染。

在阴影生成的方面，采用了一种和模板阴影方式相近的，光领域 (Light Volume) 渲染法来实现效果。通过渲染好的 Light Volume 来判断画面内到底哪些像素受到该光源的影响，随后在对此进行光照渲染。

动态光源可以用前面所说的 Light Volume 的方法来进行光照渲染，但是问题在于照射到整个场景的平行光源 ( 太阳光 ) 。就算是平行光源不移动，因为场景中的角色会进行移动，所以移动的位置或者是姿势都会导致阴影的变化。所以说，在光线路径下的光照渲染变得必不可少。

但是，如果是整个场景都被太阳光所覆盖的话就等于画面全体都被置入了 Light Volume （光照椎体）中。因此，游戏开发小组使用了特有的优化方法。那就是，通过几何路径生成 RT3 太阳光下的静止阴影数据。因为可以假定在这 RT3 里的阴影部分是不会被太阳光所照射的，被看成是太阳光光影渲染的范围之外，所以在光线路径中可以跳过这一部分的渲染。

进行完几何路径后被 RT3 所收录的静态阴影	也就是说，红色的这个部分并不属于太阳光光照的渲染范围	完成后的画面

在「 KILLZONE 2 」中的阴影生成，有在几何路径 RT3 内进行光照渲染的静态阴影与用于移动角色身上的动态阴影 2 种组成。

另外，那些距离比较远的运动的物体，或者是那些有没有影子都不会去注意的物体，因为影响的范围非常的小，所以为了降低负荷，就省略了动态的光影生成。在动态阴影的生成方面，虽然是采用了非常普通的深度阴影（阴影贴图）法，但还是增加了很多独有的改良方法。

之所以要采用独有的改良方法一个是为了让阴影的质量上升，针对此采用了 4 张阴影贴图层叠的方法来对应视点和阴影之间的不同距离。每张阴影贴图所使用的深度缓冲最大可以为 1024×1024×16bit 。

而另一个目的则是，为了解决深度阴影法中边缘闪烁的问题。这个边缘闪烁是因为在视点移动的时候，用在阴影贴图里的深度缓冲会和视线矢量同步旋转而导致的。

就算是对象物静止不动，只要是视点发生变化的话，被阴影贴图所画上的范围也会发生变化，所以在最终的场景中阴影轮廓的边缘也会发生抖动。

在 KILLZONE 2 里为了改善这个现象，采用了地图坐标系中的阴影贴图里加上层叠的方法。通过这个方法尽管可以抑制住阴影轮廓的抖动，但是因为阴影贴图由此就变成了非固定的形式，所以在某些场合下会发生阴影的解析度降低的问题。

最里面 (LEVEL3) 不进行阴影处理	LEVEL2，可以看到静态的阴影	LEVEL1，静态和动态阴影都被渲染的出来
最前面（LEVELE0），这里的静态和动态阴影也都被渲染的出来	只有动态阴影	只有静态阴影
最终完成的画面	就算对象物静止不动，阴影贴图内的使用方法也会有变化	KILLZONE2 中通过 SPU 将 虚拟全局光照 ～ Light Probe 信息转换成曲面纹理

在本世代的 3D 游戏显示中，那些具有最新技术的工作室基本都会在游戏中使用全局光照 (GI ： Global Illumination) 这个技术。

在现实世界里，照明并不仅仅只局限于直接光的照射。被照射的物体本身也会成为一个发光的间接光源，从而产生物体之间互相反射的这样一种复杂的照明效果，这就是全局光照。特别是我们把对于相互反射的照明情况称作为 Radiosity （辐射度）。

基本上，现在的即时 3D 显示管线都是只能处理直接光的照射（不考虑是否有遮挡），所以不再 GI 上下点特别的功夫的话是不行的。只是，现在的 GPU 没有即时演算 GI 的能力，所以采用预先计算的方法基本上是主流。

将 Light Probe 可视化后的画面

l=0、1、2、3… m=-l～+l的球函数的3维可视图。比如说使用到I=3的第4层的话，将会总计有16个球函数被使用到。

在 KILLZONE 2 里，制作小组首先采用 Light Field 法对 GI 纹理进行离线渲染随后在作成光线贴图，这个时候，同时对于游戏中的场景以一定的间隔设置 Light Probe 。Light Probe 是来决定该位置的光线到底是怎么照射的一种道具。

光线贴图的生成以及 Light Probe 的计算，是将所有的静态光源设置完毕之后，需要花上一定的时间，在考虑到相互的反射等复杂的条件后在进行的全局光照计算。因此，各个 Light Probe 需要采取射向该位置的所有光线（复杂的全局光照结果）数据。

比如，天花板上有着白色荧光灯的狭小的房间里，左边的墙壁是红色的，而房间中心被设置了一个 Light Probe ，那么该 Light Probe 将会受到上部白色光线的照射，而左边则要采取到柔和的红色（受到荧光灯的照射后红色墙壁的反射光）。

在进行即时渲染时，以该 Light Probe 所采取的光量的情报为基准，来对该场景内活动的角色的光照渲染。再将被渲染出来的角色与实现计算好的全局光照结果的光线贴图进行调和。这样，因为当角色运动时，就会受到不同的 Light Probe 的光照的反射，这就正好达到了连场景中受到间接光反射的都考虑到的光照渲染过程的这一要求，从最终的结果来看，完全不亚于那些进行及时演算出来的 GI 效果。

在 KILLZONE 2 中，每一个场景大约需要事先安置 2500 个 Light Probe 点，各个 Light Probe 中存有将 球函数的 I=2 之前的 9 个数据通过 RGB 3 元素作为 K-D 树的数据。简单的来说就是类似于放射状的能源分布图一样的方便的函数。如果将其可视化的话就会和下图中显示的一样。从概念上来说，放射状的数值分布可以通过几个 均值系数来进行近似再现，也就是类似于 MPEG 或者是 JPEG 这样的不可逆的压缩方式。

在索尼克 WA 这个游戏中所使用的 类似于 Light Probe 的数据中记录着 8 个方向的离散值，但是在 KILLZONE 2 中则记录着 9 个 球函数 . 在实际进行即时渲染时，读取相邻的 4 个 Light Probe 中的球函数，从中将 Light Probe 的全方位光量进行解码随后在一次作成一个 8×8 的 纹理元素的曲面纹理（球面坐标系的全方位纹理），当然这也仅仅只是读取出相近的 4 个 Light Probe 的数值随后进行加权平均的插值计算而已。

读取相近的 4 个 Light Probe 的值随后进行球函数的转换	计算出从各个方向照射到该角色身上的环境光	以此数值来生成 8*8 纹理单位的曲面纹理

听上去好像是一个负荷挺高的计算， 在 KILLZONE 2 里，该处理则是全部交给 SPU 来进行运算的。根据开发小组公布的数据， 1 帧中大约需要读取 600 个 Light Probe 的数据，这一连串的处理的负荷大约需要消耗掉一个 SPU 中的约 13% 的处理能力。

在实际的像素渲染中对像素单位进行光照处理是以各个像素的矢量法线数据为基础，将这个曲面纹理作为样本以它的值来作为环境光进行光照处理。

之所以要读取近 600 个的 Light Probe 数据，是因为在 KILLZONE 2 中角色的身上的各个部位（入角，身体，手等）的细小的地方都有使用到曲面纹理。这样我们才能够看到那些诸如上半身和下半身被不同的间接光所照射的真实的效果。

在索尼克 WA 里，首先先要决定好角色的重心抵消的值，随后在加上光场。因为索尼克 WA 中的角色是 Q 版的角色，所以可以将角色作为一个固定的物体来进行操作，并不需要做的非常的细致。但是在 KILLZONE2 中因为角色是非 Q 版的人类，会有站立，蹲下，挥手等让人物上下左右变化的动作，所以才需要做到如此的细致。

再运动中的角色（物体）上加上白色的测试截图，在这个场景里，只有地板是属于静止的物体。	只渲染运动中的角色（物体）通过 Light Probe 被照射到的环境光以及太阳光（平行光）后的画面。	最终画面