分块着色

动机（20.3 节）

基础延迟着色对每个光源单独调用着色器并重复读 G-buffer，数百上千个光源时很昂贵；在一次调用中评估多个光源更高效。早期探索有 Zioma（渲染光源体积，逐像素存光源信息，用深度剥离处理重叠，受限于每像素重叠光源数）和 Trebilco（z-prepass 后渲染光源体积，逐像素存光源 ID，用位移与混合技巧不用多次剥离就能存 4 个光源）。分块着色由 Balestra 与 Engstad 于 2008 年在《神秘海域：德雷克船长的宝藏》中首次提出，随后用于 Frostbite、PhyreEngine 等。

这里的瓦片是开发者选择的结构，与移动 GPU 的分块渲染或硬件内部瓦片关系不大。对光源体积做分块"渲染"相当于对场景做低分辨率渲染，可在 CPU 或 GPU 计算着色器中完成。

光源与瓦片的相交测试

瓦片的屏幕边界构成一个不对称视锥，用它测试每个光源的球形影响范围。按瓦片而非逐像素存储是保守的（光源未必覆盖整个瓦片），换来大幅降低的处理、存储与带宽。

常规的球-视锥测试假设视锥宽大、球较小；瓦片视锥细长且不对称，会产生大量假阳性（球同时与底面和右侧平面相交而被误报）。改进是在平面测试后再加一个球-盒测试（盒包围视锥），两者交集显著减少误报。聚光灯用球包围效果不好，可用层次剔除、光栅化和代理几何优化。

Tiled deferred 的好处

• 每个像素的 G-buffer 总共最多读一次，而不是每个光源一次。
• 输出图像只写一次，不用逐光源累加。
• 着色器可把渲染方程的公共项提出来只算一次。
• 瓦片内所有片元遍历同一列表，warp 执行一致。
• 不透明物体完成后，透明物体可用同样的光源列表做前向着色。
• 所有光源在一遍中计算，帧缓冲精度可以低（传统逐光源累加在 8 位通道上会产生色带）；不过现代系统为色调映射通常需要高精度输出，这点意义不大。

Tiled forward / Forward+

先做几何 z-prepass（避免最终 pass 过度绘制并支持深度剔除），计算着色器按瓦片分类光源，再做第二遍几何前向着色，按片元屏幕位置取光源列表。《教团：1886》使用了它。Pettineo 的开源测试中：无抗锯齿时随光源数增至 1024，延迟在许多 GPU 上占优；抗锯齿级别提高时前向更好。

深度范围剔除

对每个瓦片用归约操作求不透明物体的 $z_{min}$ 与 $z_{max}$（例如 Harada 等用计算着色器和 UAV 同时做视锥剔除与归约），剔除不与该范围重叠的光源；只看到天空的空瓦片可直接跳过。是否使用最小、最大或两者取决于场景。延迟着色的 G-buffer 中已有深度，同样可用。

flowchart LR
  A["z-prepass 或 G-buffer 深度"] --> B["每瓦片归约 zmin, zmax"]
  B --> C["瓦片视锥 + 深度范围 测试每个光源"]
  C --> D["生成瓦片光源列表"]
  D --> E["着色: 遍历本瓦片列表"]

透明物体：深度范围来自不透明表面，透明需单独处理。Neubelt 与 Pettineo 在不透明 z-prepass 缓冲上再渲染透明表面，取透明表面的 $z_{min}$、以不透明的 $z_{max}$ 封住远端，另做一次光源分类生成新列表，再只让透明表面走类似 tiled forward 的渲染。

深度不连续问题：一个瓦片里近处角色背后是远山，$z$ 范围巨大，几乎无法剔除光源。这种瓦片在场景中占比可能很高，森林、高草、植被场景更甚。

• HalfZ / 双峰簇：在 $z_{min}$ 与 $z_{max}$ 中点分一次，把相交光源归为近半、远半或全范围。直接解决"一近一远"两物体的情形，但不能解决光源两者都不碰或多于两个深度层的情况。
• 2.5D 剔除（Harada 等）：把深度范围沿深度方向分成 $n$ 个单元（他们用 $n=32$），按像素深度生成 $n$ 位几何掩码，再为每个与瓦片视锥相交的光源生成光源掩码，两者按位与为 0 则该光源不影响瓦片内任何几何。
• 在某款 GPU 上（Stewart 与 Thomas），光源超过 512 个后 HalfZ 开始胜过基础 tiled deferred，超过 2300 个后 2.5D 剔除占优，但优势不大。
• 逐像素裁剪（Mikkelsen）：16×16 瓦片先用光源屏幕包围矩形和几何深度范围剔除，再让 64 个计算线程每个检查 4 个像素的世界位置是否在光源体积内，没有任何像素在内就剔除——只保留保证至少影响一个像素的光源。他发现对其场景再做 z 轴剔除反而降低总体性能。

按瓦片特化着色器

光源合并成列表后，单个延迟着色器要处理所有材质和光源类型，会很复杂。可在每个像素存一个特性位掩码（每位代表材质在该像素使用的一项着色特性），瓦片内按位或得到所需的最小特性集合，按位与得到所有像素都用到的特性（无需 if 判断），选用对应的特化着色器。这不仅减少指令，还因为不必为最坏路径分配寄存器而提高占用率。也可跟踪其他属性，例如《Split/Second》按 4×4 瓦片分类是否完全或部分处于阴影、是否含需要抗锯齿的多边形边等。

GEA 的视角：Forward+（卷 II 12.5.12.4）

• 前向渲染把光源列表交给管线，每个光源用球或锥体限定影响范围；但每个片元仍要遍历全部光源才能知道哪些影响它。先剔除与视锥不相交的光源能改善一些，但列表仍可能很长（卷 II 12.5.12.4）。
• Forward+ 把屏幕划分成规则网格，预先测试每个格子受哪些光源影响，结果存进与网格同尺寸的二维缓冲；前向着色时像素着色器找到片元所在格子，只遍历该格的光源。GEA 认为这让"几乎不限数量的光源"也能高效渲染。
• 术语分歧（原书问题，12.5.12.4）：GEA 说 Forward+ "也叫分块渲染 (tiled rendering) 或分簇前向渲染 (clustered forward rendering)"，而它描述的是只在屏幕上二维划分的网格。RTR4（本页与 分簇着色）把二者区分开：分块着色只划分屏幕瓦片（可加深度范围剔除），分簇着色还沿深度方向切分成三维簇。按 GEA 自己的描述，它讲的是分块前向；"分簇"另有所指。另外 "tiled rendering" 一词也常指移动 GPU 的分块渲染架构，与这里的光源分块是不同概念（见 分簇着色 的「移动端」）。出处：Forward+ 即分块前向，Harada, McKee, Yang, "Forward+: Bringing Deferred Lighting to the Next Level", Eurographics 2012 短文；分簇着色是 Olsson, Billeter, Assarsson, "Clustered Deferred and Forward Shading", HPG 2012 提出的另一种方法。