对象空间与纹理空间着色

Reyes 的启发（20.6 节）

Reyes（名字来自 Point Reyes 半岛，也被解释为 "Renders Everything You Ever Saw"）把每个表面切分 (dice) 成极细的四边形网格——微多边形，按视点切分到每个约半个像素宽高，以满足奈奎斯特极限；视锥外或背向的四边形被剔除。原始系统给每个微多边形着一个颜色（后来演进为对微多边形网格顶点着色）。微多边形插入每像素抖动的 4×4 采样网格（超采样 z-buffer），抖动把走样变成噪声。着色发生在按覆盖率光栅化之前，因此叫基于对象的着色；相比之下前向着色在光栅化时于屏幕空间着色，延迟着色在光栅化之后着色。

一般而言每个物体必须"可制图表"，即顶点 (u, v) 让模型每块不同区域对应唯一纹素。基于对象的着色可以看作先烘焙着色，再用相机决定视相关效果并限制每块表面花费的工作量。在 GPU 上最简单的做法是细分到亚像素再逐顶点着色，但很贵：三角形设置开销无法摊到多个像素上，而且单像素三角形因 quad 渲染会产生 4 次像素着色调用；GPU 是为覆盖较多像素（如 16 个以上）的三角形优化的。

研究路线

• Burns 等：先确定可见的物体位置——对物体切分出"多边形网格"、尽量剔除后光栅化；再用独立的对象空间"着色网格"只给可见区域着色，每个纹素对应一块表面，分辨率可与多边形网格不同。他们发现非常细的几何细分收益很小，解耦后资源利用更高效（仅在模拟器中实现，但影响了后续研究）。
• 解耦采样：Ragan-Kelley 等提出硬件扩展，样本有五维（两维亚像素、两维镜头、一维时间），可见性与着色分别采样，用"解耦映射"决定可见性样本对应的着色样本，用于运动模糊和景深。Liktor 与 Dachsbacher 在随机光栅化中缓存并复用着色样本——这些效果不需要高着色率。
• 纹理空间着色硬件扩展（Clarberg 等）：消除 quad 过度着色，从而允许更小的三角形；像素着色器从着色纹理查值时可用双线性或更复杂的过滤，降低纹理分辨率即可降低着色开销，对低频项通常效果很好。
• Andersson 等的纹理空间着色：每个三角形先做视锥和背面剔除，再按其 (u, v) 参数化着色到输出目标的对应区域；同时用几何着色器计算三角形在相机中的大小，决定插入类 mipmap 结构的哪一级，使着色量与屏幕覆盖率相关；最终用随机光栅化查着色纹理，着色值可复用于运动模糊和景深。
• Hillesland 与 Yang：先把几何画到最终视图并存三角形 ID 可见性缓冲，计算着色器填充类 mipmap 的对象着色结构，再画一遍几何查表。由于着色在对象空间，同一区域每帧对应同一纹理位置，若某 mip 级的着色已算过且不太旧就复用：在 60 FPS 下隔帧复用误差可忽略。mip 级不仅可按屏幕大小选，也可按法线变化等因素选；更高的 mip 级意味着每个屏幕片元计算的着色更少，可大幅节省。

《奇点灰烬》的实现

Oxide Games 的渲染器受 Reyes 启发，对每个模型整体做纹理空间着色，一个物体可有任意多种材质，用遮罩区分：

flowchart TD
  A["分配若干 4k x 4k, 每通道 16 位的主纹理"] --> B["评估所有物体, 可见则估算屏幕面积"]
  B --> C["按面积给每个物体分配主纹理区域, 总量超出时按比例缩小"]
  C --> D["计算着色器逐材质做纹理空间着色并累加到主纹理"]
  D --> E["按需生成主纹理 mipmap"]
  E --> F["光栅化物体, 用主纹理着色"]

• 一个地形模型可包含泥土、道路、植被、水、雪、冰，各有自己的 BRDF。
• 着色时掌握物体表面与主纹理的完整关系，可在像素和着色器两个层面抗锯齿，能稳定处理镜面指数极高的模型。
• 着色结果附着在整个物体上、与可见性无关，所以着色可以用不同于光栅化的帧率：着色 30 FPS、光栅化 60 FPS（VR 为 90 FPS）即可；着色负载过高时几何帧率仍能保持。场景由约一千个光源照亮（每辆车、每颗子弹至少一个）。

挑战：

• 批次约为典型引擎的两倍（每个物体的"材质四边形"在计算着色器中处理一次、光栅化时再画一次），但多数批次简单，DirectX 12 / Vulkan 能降低开销。
• 主纹理分配方式显著影响画质；屏幕上很大或纹素密度变化大的物体（如地形）有问题，需要额外缝合不同分辨率的地形瓦片。
• AO 等屏幕空间技术难以实现。
• 与原始可见性缓冲一样，影响形状的动画要做两次（着色与光栅化各一次）。
• 先着色后遮挡造成浪费；对深度复杂度低的即时战略游戏代价较低。每种材质评估简单，不像复杂的延迟着色器。
• 粒子、树木这类着色简单的物体获益很少，可改用前向着色。