了解网格渲染过程的基础后，您可以应用各种技术来优化渲染速度。
引言
我可以使用多少个多边形？ 这是艺术家在创建实时渲染模型时会问的一个非常普遍的问题。 这个问题很难回答，因为它不仅是数字问题。
我在第一个PlayStation时代开始了3D画家的职业生涯，后来成为图形程序员。 在开始为游戏创建3D模型之前，我想阅读这篇文章。 其中考虑的基本基础对许多艺术家有用。 尽管本文中的大多数信息不会显着影响日常工作的效率，但是它可以使您对图形处理单元（GPU）如何渲染创建的网格有基本的了解。
渲染速度通常取决于网格中多边形的数量。 但是，尽管多边形的数量通常与每秒帧速率（FPS）相关，但是您可能会发现，即使减少了多边形的数量，网格仍会缓慢渲染。 但是，通过了解一般如何渲染网格，可以应用一组技术来提高渲染速度。
如何显示面数据
要了解GPU如何绘制多边形，您首先需要考虑用于描述多边形的数据结构。 多边形由一组称为顶点和链接的点组成。 顶点通常存储为值数组，例如，如图1所示。
图1.简单多边形值的数组。在这种情况下，三个维度（x，y和z）中的四个顶点给出12个值。 为了创建多边形，第二个值数组描述了顶点本身，如图2所示。
图2.到顶点的链接数组。这些连接在一起的顶点形成两个多边形。 请注意，每个三角形具有三个角度的两个三角形可以由四个顶点描述，因为两个三角形都使用了顶点1和2。 为了让GPU处理此数据，假定每个多边形都是三角形。 GPU希望您使用三角形，因为它们是专门为绘制三角形而设计的。 如果需要绘制具有不同数量顶点的多边形，则需要一个应用程序将其划分为三角形，然后再渲染到GPU。 例如，如果创建一个包含六个多边形的立方体，每个立方体有四个边，那么这比创建一个由三个面组成的12个多边形的立方体更有效。 GPU将绘制这些三角形。 记住规则：您需要计算的不是多边形，而是三角形。
上一个示例中使用的顶点数据是三维的，但这不是必需的。 二维可能足以满足您的需求，但是通常您需要存储其他数据，例如，用于纹理的UV坐标和用于照明的法线。
多边形绘图
渲染多边形时，GPU首先确定在何处绘制多边形。 为此，他计算了三个顶点在屏幕上的位置。 此操作称为变换。 GPU中的这些计算由称为顶点着色器的小程序执行。
顶点着色器通常执行其他类型的操作，例如处理动画。 计算完多边形的所有三个顶点的位置之后，GPU将计算出该三角形中的哪些像素，然后开始使用另一个名为“片段着色器”（fragment shader）的小程序填充这些像素。 片段着色器通常每个像素执行一次。 但是，在极少数情况下，例如，每个像素可以执行几次，以改善抗锯齿效果。 片段着色器通常称为像素着色器，因为在大多数情况下，片段与像素相对应（请参见图3）。
图3.屏幕上绘制了一个多边形。图4显示了渲染多边形时GPU执行的动作序列。
图4. GPU渲染多边形的顺序。如果将三角形分成两个并绘制两个三角形（请参见图5），则该过程将对应于图6。
图5.将多边形划分为两个。图6. GPU绘制两个多边形的过程。在这种情况下，需要进行两倍的转换和准备，但是由于像素数保持不变，因此该操作无需光栅化其他像素。 这表明将多边形数量加倍并不一定会使渲染时间加倍。
使用顶点缓存
如果查看上一个示例中的两个多边形，则可以看到它们具有两个公共顶点。 可以假定这些顶点必须计算两次，但是称为顶点缓存的机制使您可以重用计算结果。 可以重新使用的顶点着色器计算结果存储在缓存中-包含最后几个顶点的一小部分内存。 使用顶点缓存绘制两个多边形的过程如图7所示。
图7.使用顶点缓存绘制两个多边形。多亏了顶点缓存，如果两个多边形具有相同的顶点，则它们绘制速度几乎可以与一个多边形一样快。
我们处理顶点的参数
为了使顶点可重复使用，每次使用时顶点必须保持不变。 当然，位置应保持不变，但其他参数也不应更改。 传递到顶部的参数取决于所使用的引擎。 这是两个常用参数：
将UV应用于3D对象时，任何创建的接缝都将意味着无法共享沿接缝的顶点。 因此，在一般情况下，应避免接缝（见图8）。
图8.紫外线缝合线纹理。为了对表面进行适当的照明，每个顶点通常都存储法线-从表面指向的向量。 由于所有具有相同顶点的多边形均由一个法线定义，因此它们的形状看起来很平滑。 这称为平滑阴影。 如果每个三角形都有自己的法线，则多边形之间的边会变得明显，并且表面看起来很平坦。 因此，这称为平面阴影。 图9显示了两个相同的网格，一个具有平滑阴影，另一个具有平面阴影。
图9.平滑阴影与平面阴影的比较。这种平滑的阴影几何图形由18个三角形组成，并具有16个公共顶点。 因为没有共享顶点，所以18个三角形的平面阴影需要54（18 x 3）个顶点。 即使两个网格具有相同数量的多边形，它们的渲染速度仍将不同。
形式的重要性
GPU之所以能够快速工作，主要是因为它们可以并行执行许多操作。 GPU营销材料通常集中在确定可同时执行多少个GPU的管线数量上。 GPU绘制多边形时，它会执行许多流水线任务以填充像素的正方形。 这通常是一个八乘八像素的正方形。 GPU继续执行此操作，直到所有像素都满为止。 显然，三角形不是正方形，因此正方形的某些像素将位于三角形内部，而其他像素将位于三角形外部。 设备使用正方形中的所有像素，即使三角形之外的像素也可以使用。 计算完正方形中的所有顶点后，设备将丢弃三角形外部的像素。
图10显示了一个三角形，需要绘制三个正方形（平铺）。 使用大多数计算的像素（青色），红色显示的像素超出三角形的边界，将被丢弃。
图10.三个用于绘制三角形的图块。图11中具有完全相同像素数但被拉伸的多边形需要填充更多的图块； 每个图块（红色区域）中的大多数结果将被丢弃。
图11.在拉伸图像中填充图块。渲染的像素数只是因素之一。 多边形的形状也很重要。 为了提高效率，请尽量避免使用狭长的多边形，并优先选择边长近似相等的三角形，其角度接近60度。 图12中的两个平面以两种不同的方式进行了三角剖分，但渲染时它们看起来相同。
图12。以两种不同方式对表面进行三角剖分。它们具有完全相同数量的多边形和像素，但是由于左侧的表面比右侧的表面具有更长，更窄的多边形，因此其渲染速度会更慢。
重画
要绘制六点星形，可以创建一个由10个多边形组成的网格，或者仅从两个多边形中绘制相同的形状，如图13所示。
图13.渲染六点星形的两种不同方式。您可以确定绘制两个多边形比绘制10个多边形更快。但是，在这种情况下，这很可能是不正确的，因为星形中心的像素将被绘制两次。 这种现象称为透支。 从本质上讲，这意味着多次重绘像素。 重新绘制自然会在整个渲染过程中发生。 例如，如果某个字符被某个列部分隐藏，则尽管该列与该字符的一部分重叠，也会完整地绘制该字符。 一些引擎使用复杂的算法来避免渲染最终图像中不可见的对象，但这是一项艰巨的任务。 与绘制GPU相比，CPU通常更难找出不需要渲染的内容。
作为一名艺术家，您必须接受一个事实，那就是您无法摆脱重涂油漆的问题，但是最好删除掉看不见的表面。 如果您正在与开发团队合作，则要求向游戏引擎添加调试模式，使所有内容变得透明。 这将使查找可删除的隐藏多边形更加容易。
在地板上安装抽屉
图14显示了一个简单的场景：一个盒子站在地板上。 地板仅包含两个三角形，盒子包含10个三角形。 此场景中的重绘以红色显示。
图14.站在地板上的抽屉。在这种情况下，GPU将用抽屉将地板的一部分绘制到地板上，尽管这是不可见的。 相反，如果我们在框下面的地板上创建了一个孔，那么我们将收到更多的多边形，而绘制的多边形要少得多，如图15所示。
图15.抽屉下方的一个孔，以避免重新绘制。在这种情况下，这完全取决于您的选择。 有时值得减少多边形的数量，以得到重新绘制。 在其他情况下，值得添加多边形以避免重绘。 另一个示例：下面显示的两个图形是外观相同的表面网格，其中突出了一些点。 在第一个网格（图16）中，尖端位于表面上。
图16.尖端位于表面上。在图17中的第二个网格中，在尖端下方的表面上切出了孔，以减少重绘次数。
图17.在尖端下方切出了孔。在这种情况下，为切孔添加了许多多边形，其中一些形状较窄。 另外，我们摆脱的重绘表面不是很大，因此在这种情况下该技术无效。
想象一下，您正在模拟一栋站在地面上的房屋。 要创建它，您可以使地球保持不变，也可以在房屋下方的地面上挖一个洞。 如果未在房屋下方开孔，则重画的次数更多。 但是，选择取决于玩家从中看到房屋的几何形状和视角。 如果您在房屋底部下方绘制泥土，则如果您走进房屋并向下看，将产生大量重绘。 但是，如果您从飞机上看房子，差别不会特别大。 在这种情况下，最好在游戏引擎中设置调试模式以使表面透明，以便您可以看到玩家可见的表面下绘制的内容。
当Z缓冲区发生Z冲突时
GPU绘制两个重叠的多边形时，如何确定哪个在另一个之上？ 第一批计算机图形学研究人员花费了大量时间来研究此问题。 Ed Catmell（后来成为Pixar和Walt Disney Animation Studios的总裁）写了一篇文章，概述了完成此任务的十种不同方法。 在文章的一部分中，他指出，如果计算机具有足够的内存来为每个像素存储一个深度值，则解决该问题的方法将很简单。 在1970年代和1980年代，它的存储量非常大。 但是，如今大多数GPU都是这样工作的：这样的系统称为Z缓冲区。
Z缓冲区（也称为深度缓冲区）的工作方式如下：每个像素的深度值都与之关联。 设备绘制对象时，它会计算从相机绘制像素的距离。 然后，它检查现有像素的深度值。 如果距摄像机比新像素更远，则将绘制新像素。 如果现有像素比新像素更接近相机，则不会绘制新像素。 即使多边形相交，这种方法也解决了许多问题并且可以工作。
图18.深度缓冲区处理后的相交多边形。但是，Z缓冲区没有无限的准确性。 如果两个表面与相机的距离几乎相等，则这会使GPU感到困惑，并且可以随机选择其中一个表面，如图19所示。
图19.具有相同深度的表面存在显示问题。这称为Z格斗，看起来非常越野车。 距离相机表面越远，Z冲突通常会变得越严重。 引擎开发人员可以将改正合并到其中，以解决该问题，但是，如果美术师创建的多边形足够接近且彼此重叠，则仍然可能会出现问题。 另一个示例是一面墙上贴有海报的墙壁。 海报与摄像机的距离与后面的墙壁几乎位于同一深度，因此Z冲突的风险非常高。 解决方法是在海报下方的墙上切一个洞。 这也将减少重画数量。
图20.重叠多边形的Z冲突示例。在极端情况下，即使对象彼此接触，也可能发生Z冲突。 图20显示了地板上的抽屉，由于我们没有在抽屉下面的地板上开孔，因此z缓冲区可能会在地板与抽屉相交的边缘附近混淆。
使用绘图调用
GPU已经变得非常快-如此之快以至于CPU可能跟不上它们。 由于GPU本质上是为执行一项任务而设计的，因此使它们更容易快速开始工作。 图形本质上与多个像素的计算有关，因此您可以创建可并行计算多个像素的设备。 但是，GPU仅渲染其绘制CPU的命令。 如果CPU无法快速将数据“馈入” GPU，则视频卡将处于空闲状态。 每次CPU命令GPU绘图时，这称为绘图调用。 最简单的绘制调用包括渲染一个网格，包括一个着色器和一组纹理。
想象一下，一个慢处理器可以每帧传输100个绘制调用，而一个快速GPU可以每帧绘制一百万个多边形。 在这种情况下，理想的绘制调用可以绘制10,000个多边形。 如果您的网格仅包含100个多边形，则GPU每帧只能绘制10,000个多边形。 也就是说，GPU有99％的时间处于空闲状态。 在这种情况下，我们可以轻松增加网格中的多边形数量而不会丢失任何内容。
抽奖的内容及其成本在很大程度上取决于特定的引擎和体系结构。
一些引擎可以将多个网格合并到一个绘制调用中（执行批处理，批处理），但是所有网格必须具有相同的着色器，否则可能会有其他限制。Vulkan和DirectX 12等新API专门用于解决此问题，方法是优化程序与图形驱动程序的通信方式，从而增加了可在单个帧中传输的绘制调用的数量。如果您的团队正在编写自己的引擎，请询问引擎的开发人员有哪些局限性。如果您使用虚幻引擎或Unity等现成的引擎，请运行性能基准测试以确定引擎功能的极限。您可能会发现可以增加多边形的数量而不会降低速度。结论
我希望本文能作为一个很好的介绍，以帮助您了解渲染性能的各个方面。在不同制造商的GPU中，一切都是以自己的方式实现的。对于特定的引擎和硬件平台，有很多保留和特殊条件。始终与渲染程序员保持公开对话，以在项目中使用他们的建议。关于作者
埃斯基尔·斯坦伯格（Eskil Steenberg）是游戏和工具的独立开发商，他是顾问和独立项目的作者。所有屏幕截图都是使用Esquil开发的工具在活动项目中拍摄的。您可以在Quel Solaar网站和他的@quelsolaar Twitter帐户上了解有关他的工作的更多信息。