28-多光源渲染方案

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在现代实时渲染中，处理大量动态光源是一个核心挑战。传统的 Forward Rendering（正向渲染） 在每个物体绘制时遍历所有光源计算光照，其性能开销与 物体数量 × 光源数量 成正比，因此无法高效处理大量光源。

以下是主流的几种方案：

1. Deferred Shading/Deferred Rendering（延迟着色/延迟渲染）

这是最早广泛用于解决多光源问题的方案。

  • 核心思想：将几何处理和光照计算分离成两个独立的阶段。

    • 第一阶段（Geometry Pass）：遍历所有几何体，但不计算任何光照。 Instead，将表面的各种属性（如位置、法线、漫反射颜色、高光系数等）渲染到一张张单独的缓冲区中，合称为 G-Buffer。
    • 第二阶段（Lighting Pass）：不再需要场景几何信息。遍历每一个光源，对于每个光源，将其视为一个几何体（如球体、锥体），并在屏幕空间下，根据 G-Buffer 中存储的信息，计算该光源对哪些像素有贡献。每个光源的计算互不影响。

  • 优点：

    • 光照计算复杂度与场景复杂度无关，仅与屏幕分辨率和光源数量成正比。非常适合处理大量小型光源。
    • 每个像素只计算真正被贡献的光照，效率高。

  • 缺点：

    • G-Buffer 占用大量带宽和内存。
    • 对透明物体和抗锯齿（MSAA）支持不友好，需要额外方案（如正向渲染透明物体，使用 TAA/FXAA）。
    • 材质类型受限，G-Buffer 的格式固定，难以支持非常复杂、多样的材质（虽然可以通过设计来扩展，但有成本）。

2. Forward+ (Tiled Forward Rendering)（分块正向渲染）

Forward+ 是对传统正向渲染的增强，旨在保留其优点的同时解决多光源问题。

  • 核心思想：它也分为两个阶段，但比延迟渲染更“轻量”。

    • 第一阶段（Depth Pre-Pass）：首先，渲染整个场景的深度信息，得到一个深度缓冲区（Depth Buffer）。
    • 第二阶段（Light Culling & Shading）：
      1. 分块（Tiling）：将屏幕分割成许多个小块（Tiles），例如 16x16 或 32x32 像素的块。
      2. 光源剔除（Light Culling）：对每个屏幕块，根据其在世界空间中的视锥体（由块的像素区域和深度范围计算得出），遍历所有光源，找出哪些光源会影响到这个块。为每个块生成一个光源索引列表。
      3. 着色（Shading）：使用传统的正向渲染流程绘制每个物体。在像素着色器中，不再是遍历所有光源，而是只需加载当前像素所在屏幕块对应的光源索引列表，并只计算这些少数光源的贡献。

  • 优点：

    • 克服了传统正向渲染 O(n*m) 的计算复杂度。
    • 支持 MSAA 和任意材质，因为着色阶段仍然是正向渲染，着色器可以非常灵活。
    • 比延迟渲染占用更少的内存带宽（没有大的 G-Buffer）。

  • 缺点：

    • 光源剔除阶段需要一定的 CPU 或 GPU 计算开销。
    • 每个像素最终计算的光源数量可能不均匀（有的块光源多，有的块光源少），可能导致性能波动。

3. Clustered Shading（集群着色）

这是对 Forward+ 的进一步优化，解决了其一个主要痛点：在深度方向上划分不够精细。

  • 核心思想：Forward+ 只在屏幕的 2D 空间上分块，而在深度方向上是“一刀切”的。Clustered Shading 在 3D 空间中对视图视锥体进行划分。

    • 不仅沿着屏幕的 X、Y 轴分块，还沿着 Z 轴（深度轴） 进行切片（Slice）。这样形成了一个个 3D 的“集群”（Cluster）。
    • 光源剔除过程是为每个 3D 集群计算其影响的光源列表。

  • 优点：

    • 解决了 Forward+ 在深度方向上的浪费问题。例如，一个靠近相机的小块和一个很远的小块，如果包含的光源数量差异很大，在 2D Tiling 中会被同等对待，而在 3D Clustering 中会被区分开，光照列表更精确。
    • 尤其擅长处理光源分布不均匀的复杂场景（如有很多小灯的长走廊）。

  • 缺点：

    • 算法实现比 Forward+ 更复杂。
    • 剔除阶段的计算开销更高。

4. Tiled Deferred / Clustered Deferred

这只是上述思想的组合。延迟渲染同样可以受益于分块/集群的光源剔除技术。

  • 核心思想：在延迟渲染的 Lighting Pass 中，不再为每个光源绘制一个全屏的 Light Volume，而是使用计算着色器，对每个 Tile 或 Cluster 进行光源剔除，然后逐块进行光照计算。
  • 优点：进一步提升了延迟渲染在处理极大量光源时的性能，因为它避免了为每个光源绘制其影响范围（Overdraw），而是更精确地计算每个像素受哪些光源影响。

总结与对比

方案核心思想优点缺点适用场景
传统正向渲染逐个物体，遍历所有光源计算材质灵活，支持MSAA，透明物体简单性能与物体×光源数成正比，无法处理多光源光源数量很少的场景（<10个）
延迟渲染将几何和光照分离，使用G-Buffer高效处理大量小型光源，与场景复杂度无关占用带宽大，透明和MSAA支持差，材质不灵活大量小型动态光源的场景（如科幻、霓虹灯）
Forward+屏幕分块，为每个块剔除光源支持MSAA和复杂材质，内存带宽占用低深度方向剔除不精确，性能可能不均需要MSAA、复杂材质且光源数量较多的场景
Clustered在3D视锥体内分块，更精确剔除光源剔除最精确，尤其擅长深度变化大的场景实现最复杂，计算开销最大最通用、高效处理极大量动态光源的方案

现代游戏引擎的选择

  • **Unity (URP/HDRP)**：
    • URP：默认使用 Forward+ (Tiled) 渲染器。因为它需要在移动端和PC端有良好的平衡，并支持多种材质。
    • HDRP：默认使用 Deferred。因为它面向高端平台，需要处理极其复杂的光照和材质（通过多通道G-Buffer实现），并且其透明物体通常用正向渲染进行叠加。
  • Unreal Engine：传统上以延迟渲染为核心，并且其光照计算也使用了分块/集群优化。UE5 的 Lumen 等全局光照系统也构建在延迟管线之上。

结论：
目前，Clustered Shading 被认为是处理大量动态光源最强大和通用的解决方案，无论是与正向渲染结合（Clustered Forward）还是与延迟渲染结合（Clustered Deferred），它都提供了最佳的性能和灵活性，因此被许多3A游戏和现代游戏引擎所采用。Forward+ 是一个优秀的折中方案，而延迟渲染在特定需求下依然非常强大。