在本文我將展示如何在XNA中使用deferred rendering。首先讓我們理解什麼是deferred shading，然後學習這個技術的幾個步驟，從創建Geometry Buffer一直到管理材質。最後，我們介紹如何創建一個內容管道處理器使用這個技術。在每個步驟中，我會詳細解釋原理，在後面的章節中，有時我也會回到前面並重寫某些代碼。你最好理解不同的座標系，例如世界空間、視空間和屏幕空間，這可以參考creators.xna.com上的Shader Series。
實時光照
現今的遊戲中一個物體往往要被許多光源照亮，今天這仍是一個代價昂貴的操作，也沒有一個完美的解決方案。讓我們首先看一下解決這個問題的幾種常用方法。
在Single-Pass光照方法中，每個對象對需要被繪製，所有光照運算都在一個shader中進行。可參加creators.xna.com上的示例。但一個shader有指令數量的限制，所以這個技術只適用於光源數量較少的情況(例如，Creator’s Club上的例子Shader Series 4: Materials and Multiple Light Sources（或本站的譯文，注意：這個例子沒有升級到XNA4.0）在SM 2.0中支持2個光源，SM 3.0支持8個。在某些遊戲中，只需要少量光源，例如室外白天場景，這就是個較好的選擇。這個技術的缺點是光源數量較少，而且shader計算會浪費在不可見的物體上。
另一個方法是Multi-Pass光照。對每個光源，物體光照的計算只在當前光源shader中進行。這會導致非常高的batch數量(調用Draw的次數)，最壞的情況會達到光源數量乘以物體數量。繪製不可見對象的缺點仍然存在，某些操作會重複多次，例如頂點的轉換。Creator’s Club上的例子爲Shader Series 5: Multipass Lighting。
Deferred Shading使用另一種不同的方法。首先，所有物體在不進行光照運算的情況下被繪製，然後對每個像素生成一組數據，這些數據包括位置、法線、高光顏色等。之後，將每個光源以一個2D後期處理的方式施加到最終圖像上，這個過程使用的數據是在上一個pass中寫入的。因爲所有對象使用相同的shader ，導致引擎管理變得非常簡單。我們無需基於對象使用的材質進行排序，調用繪製的數量減少到物體數量+光源數量。此外，光源計算只針對可見像素(這些像素生成最終的圖像)。
Deferred Shading
讓我們現在看一下deferred shading的細節。如前所述，我們首先需要繪製所有物體獲取在後面的光照處理中需要的信息，這些信息存儲在一個叫做Geometry Buffer (G-Buffer)的緩存中，存在在這個緩存中的數據通常是：
- Position – 這個數據對於區域光源（local lights，即不影響所有物體的光源）是必須的。全局光源（global light，例如環境光和單向光)均等地影響所有物體，而區域光源(點光源和聚光燈)隻影響距離足夠近的物體。所以我們需要每個像素的位置信息。
- Normal –除了環境光，法線對於任何一種光照計算都是必須的。它被用來確定一個表面是否被照亮，方法是計算光線方向和法線方向的點積。當生成法線時，我們還可以使用法線映射添加物體表面的細節。
- Color – 也被稱爲漫反射顏色（diffuse color）或反射率（albedo）。通常是來自於紋理的顏色。
- 其他數據 – 基於我們使用的光照模型，我們可能還會使用其他數據，例如：鏡面高光強度（specular power），鏡面高光顏色（specular intensity）等其他係數。
可見一個像素所需的數據是非常多的，因此 導致了deferred rendering的第一個缺點，稱作memory usage，這是因爲某些數據(法線，位置) 需要以一個很高的精度存儲(floating point textures)；這也是這些年來deferred rendering只是作爲一個可行性選擇的主要原因。要加速這個處理，我們還需使用Multiple Render Targets。
完成上述步驟後，我們就獲取了施加光照所需的所有數據。對場景中的所有光源，我們將對圖像進行2D後期處理並生成shading信息。在這個步驟中，我們還可以計算陰影，Shadow Map技術可以很好地整合到deferred shading中。
在施加光照時，我們首先確定場景中的哪些區域會被光照亮，對這個區域中的每個像素，我們將從G-buffer獲取對應的信息，然後基於光照公式計算當前像素的光照情況。每個光源的光照被混合，最後和顏色數據組合在一起獲取最終圖像。根據工作原理，我們可知只有可見的像素纔會被處理。我們還能發現計算光照所需的時間與光照的影響範圍緊密相關，這意味着許多小光源可能比少量大光源運行得更快。
分析工作流程你會發現deferred shading的兩個缺點。因爲相同的光照shader施加在所有像素上，而且我們只能將這麼多數據存儲在G-Buffer中，導致物體上的材質數量會有所限制。在實際生活中，一個shader作用在所有物體上，而在遊戲中，我們通常使用指定的shader作用在指定的物體上，我們會在後面的章節中處理這個問題。第二個缺點是deferred shading無法處理透明物體，這是因爲deferred shading只會處理最近的表面，解決方法也會在最後一章進行討論。
最後，當繪製最終的圖像時，我們還可以在這張圖像上施加其他效果，例如體積霧（Volumetric Fog），發光（Glow），HDR，Bloom，Edge Smoothing，Screen-Space Ambient Occlusion等。
開始代碼
在開始編碼前，請下載Resources.zip(16MB)。它包含以下文件：
- Camera.cs 是一個處理相機的GameComponent，它來自於官網的Skinned Model示例。使用手柄的扳機鍵或鍵盤Z和X鍵進行縮放控制，使用右搖桿或WASD移動相機。
- QuadRendered.cs 是一個來自於Ziggyware的GameComponent，它幫助我們在屏幕上繪製一個用於後期處理的長方形。我不使用SpriteBatch而使用這個類替代是因爲SpriteBatch無法處理某些shader變量，例如紋理和採樣器。
- null_normal.tga和null_specular.tga是兩張以後要用到的紋理。
- Models文件夾包含本教程用到的模型文件。
本文的代碼會用在後面的章節中，如果你想略過此步，可以下載DeferredShadingTutorial01.zip，然後進入第二章。
本文會創建一個deferred renderer，它可以很容易地集成到已有遊戲項目中。首先，在XNA中創建一個新項目，名爲DeferredShadingTutorial，在項目中添加Camera.cs和QuadRenderer.cs。
然後，創建一個新GameComponent(右擊項目，選擇添加->新建項，然後選擇GameComponent)，命名爲DeferredRenderer並設置從DrawableGameComponent繼承。
然後添加兩個變量，一個用於Camera，另一個用於QuadRenderer，並在Initialize方法中進行初始化。現在的DeferredRenderer.cs代碼如下所示：
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using
System;using
System.Collections.Generic;using
System.Linq;using
Microsoft.Xna.Framework;using
Microsoft.Xna.Framework.Audio;using
Microsoft.Xna.Framework.Content;using
Microsoft.Xna.Framework.GamerServices;using
Microsoft.Xna.Framework.Graphics;using
Microsoft.Xna.Framework.Input;using
Microsoft.Xna.Framework.Media;namespace
DeferredShadingTutorial{ public
class
DeferredRenderer : Microsoft.Xna.Framework.DrawableGameComponent { private
Camera camera; private
QuadRenderComponent quadRenderer; public
DeferredRenderer(Game game) : base(game) { } public
override
void
Initialize() { camera
= new
Camera(Game); Game.Components.Add(camera); quadRenderer
= new
QuadRenderComponent(Game); Game.Components.Add(quadRenderer); base.Initialize(); } protected
override
void
LoadContent() { base.LoadContent(); } public
override
void
Update(GameTime gameTime) { base.Update(gameTime); } public
override
void
Draw(GameTime gameTime) { base.Draw(gameTime); } }} |
爲了管理場景我們還想創建一個叫做Scene的類，並添加方法進行初始化和繪製。代碼如下：
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using
System;using
System.Collections.Generic;using
System.Text;using
Microsoft.Xna.Framework;namespace
DeferredShadingTutorial{ class
Scene { private
Game game; public
Scene(Game game) { this.game
= game; } public
void
InitializeScene() { } public
void
DrawScene(Camera camera, GameTime gameTime) { } }} |
現在，將Scene類的對象插入DeferredRenderer.cs中，並在LoadContent中進行初始化。
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public
class
DeferredRenderer : Microsoft.Xna.Framework.DrawableGameComponent{ [...] private
Scene scene; public
DeferredRenderer(Game game) : base(game) { scene
= new
Scene(game); } protected
override
void
LoadContent() { scene.InitializeScene(); [...] }} |
現在這個scene類並不複雜，但足夠用於這個教程了。
最後在Game1.cs的構造函數中添加以下代碼：
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public
Game1(){ [...] DeferredRenderer
renderer = new
DeferredRenderer(this); Components.Add(renderer);} |
現在我們完成了準備工作，可以進行後繼步驟了。
顯卡要求
爲了實現本文中的技術，你的顯卡需要支持Multiple Render Targets和floating point textures。對於ATI顯卡來說，需要Radeon 9500以上，對於NVIDIA，需要6000系列以上。
