Grand Theft Auto V （侠盗列车手5）图形研究 (二)

原文链接 http://www.adriancourreges.com/blog/2015/11/02/gta-v-graphics-study-part-2/

Level of Detail

如果说Rockstar（GTA的开发商）在一个领域优于竞争对手的，那就是接下来要介绍的LOD。洛杉矶的游戏世界随着多边形和细节的多少，有许多不同的版本，即便是在线直播游戏时也不会被加载画面阻塞，使得整个游戏体验更加的身临其境。

Lights 光源

你看到的远处所有的小的光源都是真实的，你可以朝着他们的方向开车，并找到投射光源的灯泡。

Aaron Garbut

上面这段话是 Rockstar North的创始人和艺术总监Aaron Garbut，在PS3版发布不久前宣布的。

他的描述是否准确？让我们思考下面这个夜景：

简直像真的一样：你看到的每个小的光斑都是用一个使用32x32 texture的正方形渲染出来的。    

尽管用 instanced geometry（实例化几何体） 进行了大量的batch，但仍有数万多边形推送到了GPU

而且这些并不只是静态几何体：车辆的前灯也在街道上移动，实时更新。当然，这个距离并不需要渲染所有的车辆模型，只要两个前灯就足以创作视觉。但如果你要接近一些远处的光源，LOD会增加，并最终绘制汽车的整体模型。

Low-Poly Meshes 低多边形网格

我们回到前面讨论的那一帧上，游戏世界里一些相当广阔的部分在一帧中被渲染。例如我们下面讨论的山的渲染：

那么遥远的小山究竟是什么样呢？

原来这个山一点也不小，实际上Vinewood Hill（现实中的好莱坞山）是一个跨越了几平方公里的区域，以及许多的房屋和建筑。

还有伽利略天文台坐落在山顶上，以及 Sisyphus Theater（希腊剧场）， Lake Vinewood（好莱坞水库），可以在所有的这些区域里探索或驾车，并由数千的draw-calls 和大量的多边形来绘制。

但在当前这个场景里，这个区域很远，所以用低多边形的版本来渲染：只有1个draw-call和2500多边形。

所有的渲染是用一个读取了多张Diffuse texture的Mesh做到的。即便有一些工具可以把Mesh转化为低多边形的版本，但这个转化并不能完全的自动化处理，即便是Rockstar的3D美术师花费几天时间来手动的微调Mesh，也不会感到惊讶的。

另外一个例子，是城市中“小首尔”区的几条街，也是由一个draw-call来绘制的。

游戏世界的低多边形版，在高效的渲染reflection  cubemap这类不需要非常高细节和很高分辨率时非常的有用。游戏里如果只有一个LOD等级的话，实时的渲染环境cubemap因为包含了大量的几何体，会非常昂贵或无法实现。

Asset Streaming 资源流加载

像在GTA中给不同的LOD创建多个版本的游戏世界，是非常庞大和耗时的任务，是一个相当挑战。但是，即便你完成了这些，也仅仅做到了一半：你可以在硬盘上放几个G的model和texture，但如果不能找到方法来高效的加载到内存或GPU显存上就没有任何意义。

GTA V是实时的流加载资源，当你进入地图的另一个区域时，加载/卸载model和texture。真正使人印象深刻的是它实时的实现了并在几个小时内保持稳定。

技术上最大的成就，就是把这一些都压缩到了家用机的内存，并让游戏得以流畅的运行。我们流加载和压缩到内存的越多，就意味着可以比GTA4有更高数量级的细节。

Aaron Garbut

当然，这种流加载系统也有其局限性：例如当你切换角色时，相机要从地图的一个区域跳到另外一个区域，这种情况下，流加载系统会突然的过载，也是完全可以理解的，它需要5秒来整理和赶上进度。但GTA5通过缩小/转化/放大的动画很好的处理了这个过渡，并不会觉得完全像是加载画面。

当你正常驾车时，移动速度足够慢，流加载系统就有足够的带宽来保持更新。开飞机的情况就不一样了：它们对流加载系统来说太快了，这也就是为什么驾驶飞机的速度与现实相比大大的减慢了。飞行时，mesh会以和驾车相比更低等级的LOD来渲染以缓解流加载的压力，但有时仍然会有资源的"突然出现"。

Reflections 反射

因为前面分析的帧没有那么多的水，让我们通过下面场景更接近的看看游泳池和海洋是如何渲染的:

就像之前所见的，这个场景被正常的渲染：生成一张环境Cubemap（下图），主要用来渲染物体对周围的反射效果。

例如，游泳池的梯子的反射就归功于这张cubemap。

注意角色和一些像梯子这样的小的物体对象并没有在这张cubemap里。

在渲染水之前场景看起来像这样:

渲染水面和这个完全不同，它并不包括上面这张cubemap。

Reflection Map 反射贴图

首先，是生成"planar reflection map"，这张图分辨率很低，是240x120，处理类似cubemap的生成，但只生成一张buffer并且有梯子和角色出现。

场景被颠倒的渲染，随后做对称采样就可以获得正确的反射了。

Refraction Map 折射贴图

图像的一部分被提取出来：这是水面所在的部分用来创建折射贴图，用来模拟后面的折射效果：光从水面下的射出。

这时加入一些“不透明水”的蓝色（水越深颜色越强），以及caustics（焦散）效果。最终的贴图为原始buffer的一半大小。

Combination 组合

要组合不同的buffer，再绘制一个矩形多边形来表现游泳池的水面。依靠bump texture，逐pixel的扰动多边形的法线作出一些水运动的错觉。

海面的情况不只是扰动法线，绘制一个每帧更新顶点的整体的Mesh来模拟波浪的运动以替换之前的四边形。

根据每个pixel的法线， pixel shader在不同的点获取reflection和refraction map信息，通过菲涅尔方程计算出坐标。

最后的结果非常不错，加入真实扰动的水面效果非常有说服力。

Mirrors 镜面

镜面的渲染和水面是完全一样的技术，由于镜子只反射光，甚至比水面更简单，不用考虑来自镜面后的折射效果。

不像水面，镜面是完全平坦的，很难隐藏用较低分辨率时问题，texel相当的明显。通过设置给予较高的分辨率可以增加反射的质量。

生成 reflection map需要额外的pass渲染场景而且相当的沉重。当镜面在视口外或者玩家距离很远时（这时看起来像一个黑色的四边形），引擎可以避免执行这个额外的pass。

Spotlights 聚光灯

记得在每帧开始前生成的环境贴图并不包含任何角色和车辆，只有主要的建筑和风景吧？

这种情况下，下图中车的前灯是如何反射在潮湿的路面上的呢？

在帧分析的部分这个效果并不明显，因为那是一个白天的场景，但毕竟所有的G-Buffers 都被合并了，灯光也被顺序的绘制。每个灯泡，光投射到的其他mesh被计算了，也包括像潮湿马路的高光泽度表面上很强的反射高光的效果。

每个光源都要绘制一个mesh，这个mesh类似一个细分的八面体，只是通过修改vertex shader，使它与光晕的形状相匹配。

这个mesh没有texture，目的是为了让光晕内所有接触的Pixel可以调用一个Pixel Shader。Shader会根据Pixel深度，与光源的距离，法线以及specular/glossiness属性，来动态的计算光照。

上面的线框视图就是用来计算路灯光源的影像的Mesh。

这里你可以看到延迟管线（Deferred）和前渲染管线（Forward）相比的一大优势：延迟管线可以在场景中渲染大量的光源，而pixel shaders调用尽可能的少，只涉及了被光源影响到的pixel。而前渲染管线中，你必须要计算所有受光源影响的fragment，即使这个fragment实际并不任何光的影响，或者随后被其他的fragment遮挡。

好吧，既然看了那么多了，就再看下最后一部分的后处理特效吧

前篇回顾，欢迎点击：

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Grand Theft Auto V （侠盗列车手5）图形研究 (一)

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