延迟着色

背景：多光源的代价（20 章引言）

• 多光源可写成支持多光源的单遍着色器，或多遍着色（每个光源一遍、结果累加）。后者每个着色器更简单，但 50 个光源意味着每个物体 50 遍顶点与像素处理；单遍着色器要包含所有光源类型并逐一判断，会很复杂。
• z-prepass 先只写深度、再完整着色，把"找可见几何"与"着色"分开，这一解耦思想贯穿全章；但几何要渲染两遍，曲面细分、蒙皮等昂贵网格代价可观；alpha 裁剪物体在每遍都要读纹理 alpha，否则只能留到第二遍。因此有时只在预通道画大遮挡物。AO、反射等屏幕空间效果也可能需要完整预通道。
• 限制光源范围：每个局部光源只影响一定半径的球（或锥等形状），超出后贡献可以忽略。半径常只由强度决定；Karis 指出光泽镜面材质会让半径变大，极光滑表面半径可能趋于无穷，只能改用环境贴图等。
• 每网格光源列表：相当于网格与光源的碰撞检测。问题是物体或光源移动会改变列表；为性能合并的大网格可能包含场景中大部分光源（可在合并后再按空间切分）。
• 烘焙到世界空间结构：《正当防卫 2》用俯视世界网格，每格 4 m × 4 m，存为 RGBA 纹理的一个纹素，每格最多 4 个光源；多层建筑会很快超出容量。
• 目标是高效处理动态网格与动态光源，并且性能可预测。《DOOM》（2016）部分关卡有 300 个可见光源，《奇点灰烬》某些场景有 10,000 个；粒子、光照探针也可视为短程光源。

基本流程（20.1 节）

前向着色在一遍中取材质参数并应用光源；延迟着色在第一遍几何 pass 中生成并存储可见物体的所有材质参数——位置（以深度存储）、法线、纹理坐标、各种材质参数——之后模型本身不再需要，光照以后处理方式施加到这些存储值上。

flowchart LR
  A["几何 pass: 光栅化所有不透明物体"] --> B["G-buffer: 深度, 法线, 反照率, 粗糙度, 金属度 ..."]
  B --> C["光照 pass: 对每个光源绘制覆盖其影响区域的代理几何"]
  C --> D["读取 G-buffer 计算光照并累加"]
  D --> E["前向渲染透明物体, 后处理"]

如上图。几何 pass 仍有过度绘制，但每次只是把值写入缓冲，比计算一组光源便宜得多；也减少了前向着色中 2×2 quad 部分在三角形外仍需完整着色的浪费——设想每个三角形只覆盖一个像素，前向着色会算 4 个完整样本丢掉 3 个，延迟着色的被丢弃样本代价低得多。

G-buffer（geometric buffer）可以存程序员需要的任何东西，每张是一个独立渲染目标，通常 3～5 张，也有多达 8 张的系统；目标越多带宽越大，越容易成为瓶颈。例如《彩虹六号：围攻》除深度与模板外使用 4 张 RT：世界法线 (RGB10)、基础色 (sRGB8)、金属度、光泽度、cavity、速度、GI 配置等。可用低精度或压缩减轻开销；法线常用世界空间八面体映射，精度高且编解码快。

光照 pass 的优化

逐光源绘制全屏四边形、每个像素判断是否在光源范围内，是最低效的用法，可能比前向着色还慢（多了 G-buffer 写和读）。改进：

1. 计算光源球的屏幕包围矩形，只绘制这块四边形；画椭圆更紧。
2. 利用深度：绘制粗略包围球网格；若球被深度缓冲挡住，则光源体积在最近表面之后，没有影响。一般地，若球在某像素处的最小与最大深度与最近表面不重叠，光源就影响不到该像素。"表面与光源的深度重叠测试"会在后续算法中反复出现。

优点

• 光照与材质强分离：每个着色器只负责参数提取或光照，更短更快，便于优化；寄存器用量决定占用率。新增一种光源或材质只需加一个着色器，而不是每种组合一个。
• 前向着色要么一个覆盖所有组合的巨型着色器（动态分支常慢很多），要么大量专用着色器（难生成和管理），并更频繁地切换着色器。
• 每个光源单独一遍时，内存中一次只需一张阴影贴图（但在后续按组评估光源的方案中这一优势消失）。
• 天然适合 贴花渲染。

局限

光照预通道与 L-buffer（20.3 节开头）

早期混合方案在材质与光照存储之间折中：例如只有漫反射项受纹理影响时，先对每个光源分别累加漫反射与镜面项到L-buffer（常见为漫反射颜色加镜面强度，共 4 个值可用加法混合写入一张缓冲），最后读一次纹理颜色乘漫反射项再加镜面项。纹理只用一次，每个光源访问的 G-buffer 数据更少，省带宽。这类方法称为延迟光照、pre-lighting 或 light prepass。变体包括低分辨率 G/L-buffer 加双边上采样（光照变化剧烈时如反射表面上的粗糙度或法线贴图会有瑕疵）、对反照率用 Y'CbCr 子采样。局限是材质和光照模型可能受更多限制：转向基于物理的材质后需要存储镜面反射率以计算菲涅耳项，这促使一些团队从 light prepass 转向完整延迟着色。

何时选择

光源少、过度绘制少时延迟着色可能总体更慢；只有太阳一个光源时不需要光源剔除预处理。几何处理复杂或表面着色昂贵时，延迟着色能避免过度绘制、减少程序与状态切换等驱动开销，并允许用更少调用渲染更大的合并网格。同一帧里可以混用多种方法，最佳组合可能因物体或光源而异。光源很多时进一步使用 分块着色 与 分簇着色。

GEA 的视角：G-buffer 与光照预通道（卷 II 12.5.12.1、12.5.12.3）

• 前向渲染的低效（卷 II 12.5.12）：先给三角形的顶点着色，到光栅化阶段才发现整个三角形被 z 测试剔掉；early-z 能消掉部分无用的像素着色但并不完美；要处理大量光源，还会冒出大量顶点和像素着色器版本（不同光源数目、光源类型、蒙皮权重数……）。
• G-buffer：先不管光照，高效渲染场景，把光照所需的信息存进"深"帧缓冲 G-buffer，再用它做光照与着色。GEA 认为这通常比在观察空间里做光照高效得多，避免了着色器变体膨胀，并且能比较容易地做出一些漂亮的效果。物理上它可以是一组缓冲，概念上是每像素一组丰富的属性：深度、观察空间或世界空间法线、漫反射色、高光指数，甚至 PRT 系数（卷 II 12.5.12.1）。
• GEA 以 Guerrilla Games《杀戮地带 2》为例，展示的 G-buffer 分量有反照率、深度、观察空间法线、屏幕空间二维运动向量（用于运动模糊）、高光指数和高光强度。
• 光照预通道 (light pre-pass) 分三阶段（卷 II 12.5.12.3）：
  1. 画一遍几何，只往小得多的 G-buffer 里写少量信息（通常只有深度、法线、高光指数）；
  2. 逐光源处理，结果存进屏外渲染目标；
  3. 再画一遍几何，用前向风格着色，从屏外渲染目标读光照。 优点是 G-buffer 小、带宽低，也更容易支持多种材质；缺点是要画两遍几何，顶点很重的场景可能吃不消。GEA 引用了 Insomniac 在 GDC 2009 的《抵抗 2》预光照演讲。
• 与本页的关系：本页「光照预通道与 L-buffer」描述的累加漫反射与镜面项到 L-buffer、最后乘纹理色的方案与 GEA 的三阶段描述是同一类思路；GEA 明确了"几何画两遍"的代价，RTR4 侧重带宽与纹理只读一次的好处。

LearnOpenGL 的视角：G-buffer MRT、光照体积与前向混合（Advanced Lighting / Deferred Shading）

来源：Deferred Shading；摘录 Advanced Lighting — Deferred Shading。

前向：每物体 × 每灯 × 多片元浪费。延迟：几何 pass 用 MRT 写入 G-buffer（位姿/法线常用 RGBA16F，albedo+specular 可打进一张 RGBA8）→ 光照 pass 全屏四边形按像素采 G-buffer，每像素只算一次可见片元光照。

局限：内存大、无传统混合、MSAA 难。做法：glBlitFramebuffer 拷几何深度到默认 FBO，再前向画需要混合/特殊着色的物体（如灯立方体）。

光体积：由衰减解半径（亮度阈约 5/256）；shader 里 if(distance<radius) 在 GPU 上常无效（锁步执行）。正确做法：按半径缩放球体，延迟光照 shader 画球体（建议画背面），片元自然覆盖受影响像素，复杂度近 物体+灯。进阶：tile/cluster deferred。法线/视差可在几何 pass 输出世界法线或先偏移 UV。链 分块着色、分簇着色、UE5 渲染架构。

GPU Gems 的视角：Tabula Rasa 的生产级延迟管线（GPU Gems 3 第 19 章）

来源：Rusty Koonce《Deferred Shading in Tabula Rasa》；摘录 Chapter 19. Deferred Shading in Tabula Rasa — Rusty Koonce。接 Shishkovtsov《S.T.A.L.K.E.R.》一章之后的工程经验，与上文 LearnOpenGL/RTR/GEA 的 G-buffer 理论对照。

MMO 无法控制同屏人数与灯数，前向照明开销随几何×灯数恶化，故主路径改延迟（要求 SM3），前向仅作半透明与低配回退。材质与光照彻底拆开：加新灯型不必改材质着色器。实践中的灯型包括双向平行光（正/背色近似环境反射）、Globe Map（立方体/2D 给灯光染色或假阴影）、盒灯（局部平行光+衰减）。阴影全部动态阴影图（无 lightmap），静态/动态投射体分开；阴影图池化并按优先级分帧重建。

深度与法线缓冲的额外价值：水面按眼空间厚度做岸线与折射判定；用邻域深度梯度相对变化 + 法线夹角做分辨率无关的边缘权重，再与邻像素双线性混合冒充抗锯齿。带宽是第一瓶颈——分辨率几乎线性决定成本；漫反射/高光分两张累加 RT，材质属性用访问函数封装以免改 MRT 布局时改全体着色器。半透明仍只能前向，发丝与植被改 alpha test 进延迟以保证进阴影；植被淡入用缩放代替真正混合。稳定阴影需量化光源矩阵，避免亚像素抖动。

GPU Gems 的视角：S.T.A.L.K.E.R. 延迟着色奠基（GPU Gems 2 第 9 章）

来源：Oles Shishkovtsov《Deferred Shading in S.T.A.L.K.E.R.》；摘录 Chapter 9. Deferred Shading in S.T.A.L.K.E.R. — Oles Shishkovtsov。Gems3 Tabula Rasa 章的直接前传：全动态光照的生产级延迟引擎。

动机不只是「灯光与几何解耦」，更是砍掉动态阴影带来的 CPU batch，并避免前向里每个灯重复跑一遍昂贵材质。破除迷思：在中等过度绘制下延迟并不更慢；带阴影的平行光（太阳）仍可用模板跳过天空、背光与 AO=0 像素，实测约 2×。材质不是改光着色器排列组合，而是 G-buffer 写 material ID，灯着色器查表——等于把前向「灯改材质」倒过来。

G-buffer 选型宁可选解码简单的胖格式（眼空间位置+AO、法线+材质用 A16R16G16B16F），也不要为省带宽选难解的打包。全向阴影当六盏聚光灯更利于过滤与打包。虚拟位置（沿法线按高度微移）改善视差与阴影粉刺。边缘检测 AA、Bloom 曝光、半透明仍走无影前向。与 延迟着色 上文 Tabula Rasa 对照：STALKER 更偏 DX9 极限优化与材质 LUT；TR 更偏灯型扩展与分辨率无关边权。