转帖 主机游戏技术普及第一期

第二天 贴图（Texture Mapping）
我终于下了班。最近都在忙光照模型和动态光源呢，以后应该会讲到这一块。
今天要讲贴图了，这个词也是A9众常用的词，那么贴图到底是什么呢？
好，有了昨天的知识，我们就知道游戏里的物体究竟是什么了。比如说一个海豚，我们知道其实是长这样的：

但是，它没有皮肤呢。那怎么办呢？简单，蒙一张彩色的皮上去就可以了。
在游戏里面，这张皮，叫做纹理（Texture）。
我其实蛮讨厌这个译名的，它有点让人摸不着头脑。实际上它很简单，就是一张图片，跟常见的PNG、JPG图片没有本质区别。当然，具体的编码肯定不一样。
最常见的纹理是.dds文件，里面的编码是dxt1、dxt5等等，格式非常多，每一个都有特别的用途。
顺便一提，ps4推荐的格式是BC7。当然这还是dds文件了。这个BC7编码很强，质量非常高，图像的损失很小。
其实啊，现代的显卡其实可以允许你直接用png和jpg图片的，那我们为什么不用这些简单的格式呢？
那是因为，dds文件是为显卡量身定做的，显卡处理它们最高效了！
你可以想象一张图片，上面画了海豚的皮肤，我们把这张图片蒙上这个线框模型（Wire-frame model）就可以了。
不过，游戏怎么知道该怎么蒙？什么方向？什么位置？
这就需要一种新的数据了，叫做UV数据（UV data）。每一个顶点（Vertex），都会有一个对应的UV。
那么，UV数据到底是什么？长什么样？
不得不说，这些概念一个比一个简单，阿猫阿狗都会把。UV就是很普通的二维坐标。之所以叫uv，是因为xy已经被用掉了，所以就改叫uv了。还有的游戏或者引擎叫它st，那都是一个东西。
举个栗子：顶点1，要对应到纹理的左下角，那uv数据就是（0， 0）。顶点2，要对应到纹理的最中间，那uv数据就是（0.5, 0.5）。每一个顶点，都指定一个坐标就可以了。
聪明的玩家肯定要问，这只是顶点而已啊！那顶点之间的线呢？线和线之间的空间呢？
这些就是显卡的工作了，显卡会自动做插值运算（Interpolation）。

简单来说，你告诉显卡顶点怎么处理就行了，其它的点显卡都会自动计算。这张皮就能正确的蒙到海豚上去。
当然，插值运算（Interpolation）有很多种实现方式，这个非常重要，我们以后再细讲。
把皮蒙上去的过程，我们叫做UV Mapping，或者texture mapping。我个人认为，我们常说的贴图，指的就是texture mapping。贴图应当是一个动作，而不是一个名词。
好了，现在你们已经会初步分析SS的机能了！
A9众：啥！？
我觉得是这样呢，明天我们就一起来实践看看吧。
最后，大家稍微复习一下：要完成贴图，需要哪几种数据呢？

第三天 实战SS机能分析：显存（Video Memory）
今天，我们就来应用一下前两天所学的知识，实战分析世嘉土星(Sega Saturn)的3D机能。
（注意，这里说的不是2D机能。SS的2D机能非常强！Saturn is a 2D monster!）
世嘉当年的宣传是，SS每秒可以处理20万个有纹理的多边形，或者50万个多边形。那么，事实真的是如此吗？
山内一典说过：“GT5的精细高模车用了50万个多边形”。这样的话，岂不是SS也可以描绘出那种精细的车体了？

想必大家已经有了第一印象：这不科学！
首先一个不科学的地方是，我们不知道他们说的多边形是几边型，这个我在第一天里也提到了。单位不同，如何比较？
还有，这里的时间单位是每秒，这也是很有误导意义的。这个多边形数和场景复杂度是不同的。
好吧，那我们退一步，给SS1秒钟（30-60帧），它可以描绘出如此精细的物体吗？
我们想一想，处理50万个多边形，需要什么条件？
1. 显存可以装的下所需要的数据。（粮草）
2. 3D图像处理器有能力及时处理这些数据。（兵力）
3. 数据传输速度足够快，保证不拖图像处理器的后腿。（运输队）
要想打赢一场仗，粮草、运输队和兵力，缺一不可。
今天，我们先来看看SS有没有足够的粮草。
大家复习一下前几课的内容，游戏中的物体和场景是由哪些基本数据组成的？
顶点数据（Vertex Data）
索引数据（Index Data）
UV数据（UV Data）
纹理（Texture）
这里，我们需要记住一个重要的事实：以上数据，在游戏运行中，一定是在显存（Video Memory）里的。
什么是显存呢？显存就算显卡专用的存储器。在传统游戏主机里，显存和内存（cpu专用）是分开的。只有xbox 360，wii u，ps4和xbox one是特例。
我们把话题拉回来，这些数据分别需要占用多少空间呢？
顶点是三维坐标，索引是一个数字，uv是二维坐标。单算一个的话，它们分别占用12个字节，4个字节和8一个字节。（因为SS是32位机）
纹理这里，我们可以放点水，假设它用了超小的图吧，几乎不占空间。我就不统计了~（其实在现代的视频游戏里，这恰恰是数据量最大的部分。）
然后，它们的数量分别又是多少呢？
答案：索引大致是顶点的1-3倍（想想为什么？），uv一定是跟顶点一样多（想想为什么？）。
我们再放点水吧~假设索引跟顶点一样多。
如此计算的话，一个顶点要占用多少空间呢？
根据小学课本，这里应该使用加法！12+4+8=24（字节）
好，我们再来看看有多少容量来装这些数据。
其实SS的存储器非常多，也非常复杂。好在只有一块存储器是用作3D图像的，它的容量是512KB。
512KB可以存储多少顶点呢？
根据小学课本，这里应该使用除法！512 X 1024 / 24 约等于 2.2万。
那么，2.2万个顶点可以组成多少三角形呢？
我们第三次放水，就当是2万吧。实机可能1万都不到。
下一个问题，我们不知道他们说的多边形是几边型，姑且就放水算作四边形吧。
这样，多边形的量最多是1万。
我们不排除SS使用了很先进的压缩算法。但是，再压也不会有数量级的飞跃，满打满算不会超过10万的。
所以我们得到了结论：即便放水无数次，SS游戏的场景复杂度绝对不是十万级别的。
我个人估计，如果屏幕上有一万的三角形，就已经很不错了。多数游戏应该只有几千吧。
以下是世嘉的第一方大作Virtua Fighter 2，算是SS上3D画面相当好的游戏了。

好了，明天我们再来看一看SS的兵力和运输队吧。大家明天见！

第八天 屏幕撕裂（Screen Tearing）、垂直同步（V Sync）和双重缓冲（Double buffering）
既然昨天讲到帧缓冲（Framebuffer）了，不如我们就趁热打铁，讲一些相关的概念。
大家肯定经常看到垂直同步这个概念吧？PC游戏中也经常看到这个选项。
我们也都知道，开启垂直同步之后，游戏画面就不会撕裂了，但是游戏的帧数会降低不少。这又是什么原理呢？
首先，我们需要了解屏幕撕裂是怎么发生的。
为了让大家看的更清楚，我特意选了这张很明显的图。这张图也许是后期合成的，但是对于我们讲解概念非常方便。
（原地址图挂了 ￣□￣｜｜）
在游戏主机中，除了用帧缓冲（Framebuffer）来存储屏幕上的像素之外，通常还会有一到两个后端缓冲（Back buffer）。
大家想啊，如果只有帧缓冲的话，如果显卡在上面绘制的时候，屏幕在一边不断的刷新（通常是每秒60次），岂不是会出现不断闪烁的情况？所以，所有的游戏主机都是有后端缓冲的。
有了后端缓冲，就可以完全避免屏幕闪烁了。显卡只在后端缓冲上绘制图像，等到屏幕刷新的时候，我们把后端缓冲跟帧缓冲交换（或者复制），这样就可以显示新图像了。
如果后端缓冲画到一半的时候，屏幕刷新了，会发生什么呢？
屏幕上一半是新图像、一半是旧图像，这就是所谓的屏幕撕裂（Screen tearing）了。
现在，大家思考一下：为什么早期的游戏，这种情况就很少见呢？
因为老游戏分辨率很低。像素的数量越少，就越不容易出现来不及绘制的情况。
接下来，有没有方法来避免屏幕撕裂呢？这时候，我们的垂直同步就登场啦~
垂直同步的工作原理，是建立在电视机和显卡的通讯之上的。当电视机完成了整个屏幕的绘制时，会通知显卡。（比如，显像管电视会有刷新率的概念，最新的数字接口HDMI有VBLANK的概念。它们都是用来通知显卡的。）
显卡在收到电视机的通知之前，不会进行下一帧的绘制。这个技术，就是所谓的垂直同步（Vertical Synchronization）了。
细心的玩家肯定会问了：明明是整个屏幕，为什么叫垂直同步？
其实，这都是在沿用以前模拟电视的概念。
以前的电视都是有扫描线的。一个扫描线就是一个水平的行。（以前描述分辨率都是240线、480线等等。）
相反的，垂直、自然就包含了全部的扫描线。垂直同步就是等待整个画面了。
这里我不得不提一下水平同步（Horizontal Synchronization）。它的字面意思是，等待一行绘制完的意思。但是在游戏主机中，水平同步通常就是不开启垂直同步。它往往不会做任何同步，而是尽快的让后端缓冲交换（或者复制到前端）。
以上就是游戏主机的特别之处了，跟传统显像管电视、或者pc游戏的情形都不同。毕竟针对游戏这种特别的任务，水平同步本身是没有意义的。
所以，大家可以直接理解为：水平同步就是没有同步，垂直同步就是防止图像撕裂。
像这样的两个帧缓冲的配置，叫做双重缓冲（Double buffering）。
学有余力的玩家，可以参考这篇：
http://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_blanking_interval
最后，给大家留一个思考题：为什么在主机游戏中（战争机器3、GT5等等），屏幕撕裂通常发生在屏幕的上方呢？
好，今天的内容就到这里了。明天我们来看一看，为什么真三国无双6的帧数是在30帧和60帧之间切换呢？
大家明天见！
再来一张图：
（原地址图还是挂了=_=|||）

卧槽怎么又说不和谐...

A9新闻区的帖子吧，倒是看过，不过没看完。感觉发错地方了，应该发到opengpu去

第八天 屏幕撕裂（Screen Tearing）、垂直同步（V Sync）和双重缓冲（Double buffering）
既然昨天讲到帧缓冲（Framebuffer）了，不如我们就趁热打铁，讲一些相关的概念。
大家肯定经常看到垂直同步这个概念吧？PC游戏中也经常看到这个选项。
我们也都知道，开启垂直同步之后，游戏画面就不会撕裂了，但是游戏的帧数会降低不少。这又是什么原理呢？
首先，我们需要了解屏幕撕裂是怎么发生的。

为了让大家看的更清楚，我特意选了这张很明显的图。这张图也许是后期合成的，但是对于我们讲解概念非常方便。
（原地址图挂了...）
在游戏主机中，除了用帧缓冲（Framebuffer）来存储屏幕上的像素之外，通常还会有一到两个后端缓冲（Back buffer）。
大家想啊，如果只有帧缓冲的话，如果显卡在上面绘制的时候，屏幕在一边不断的刷新（通常是每秒60次），岂不是会出现不断闪烁的情况？所以，所有的游戏主机都是有后端缓冲的。
有了后端缓冲，就可以完全避免屏幕闪烁了。显卡只在后端缓冲上绘制图像，等到屏幕刷新的时候，我们把后端缓冲跟帧缓冲交换（或者复制），这样就可以显示新图像了。

如果后端缓冲画到一半的时候，屏幕刷新了，会发生什么呢？
屏幕上一半是新图像、一半是旧图像，这就是所谓的屏幕撕裂（Screen tearing）了。
现在，大家思考一下：为什么早期的游戏，这种情况就很少见呢？
因为老游戏分辨率很低。像素的数量越少，就越不容易出现来不及绘制的情况。
接下来，有没有方法来避免屏幕撕裂呢？这时候，我们的垂直同步就登场啦~
垂直同步的工作原理，是建立在电视机和显卡的通讯之上的。当电视机完成了整个屏幕的绘制时，会通知显卡。（比如，显像管电视会有刷新率的概念，最新的数字接口HDMI有VBLANK的概念。它们都是用来通知显卡的。）
显卡在收到电视机的通知之前，不会进行下一帧的绘制。这个技术，就是所谓的垂直同步（Vertical Synchronization）了。

细心的玩家肯定会问了：明明是整个屏幕，为什么叫垂直同步？
其实，这都是在沿用以前模拟电视的概念。
以前的电视都是有扫描线的。一个扫描线就是一个水平的行。（以前描述分辨率都是240线、480线等等。）
相反的，垂直、自然就包含了全部的扫描线。垂直同步就是等待整个画面了。
这里我不得不提一下水平同步（Horizontal Synchronization）。它的字面意思是，等待一行绘制完的意思。但是在游戏主机中，水平同步通常就是不开启垂直同步。它往往不会做任何同步，而是尽快的让后端缓冲交换（或者复制到前端）。
以上就是游戏主机的特别之处了，跟传统显像管电视、或者pc游戏的情形都不同。毕竟针对游戏这种特别的任务，水平同步本身是没有意义的。
所以，大家可以直接理解为：水平同步就是没有同步，垂直同步就是防止图像撕裂。

像这样的两个帧缓冲的配置，叫做双重缓冲（DouВLe buffering）。
最后，给大家留一个思考吅题：为什么在主机游戏中（战争机器3、GT5等等），屏幕撕吅裂通常发生在屏幕的上方呢？
好，今天的内容就到这里了。明天我们来看一看，为什么真三囯无双6的帧数是在30帧和60帧之间切换呢？
大家明天见！

第九天 三重缓冲（Triple Buffering）
第九天 三重缓冲（Triple Buffering）
我们先来看下真三国无双这个例子。
玩过的同学都知道，这个游戏的帧数非常不稳定。经过测算，356并不是普通的掉帧，而是在60帧和30帧之间切换。
基于以上的时候，我们就可以下结论了：356使用了垂直同步 + 双重缓冲，而且游戏的瓶颈是GPU。
很多玩家要说了：游戏是你做的啊？你是怎么知道的？你太嚣张了！
我当然是有根据的。我们先来看一下，双重缓冲下的垂直同步，如果游戏的帧数稍微低了一些会发生什么。
昨天我们昨天所学的内容，开启了垂直同步，后端缓冲就只能在HDMI信号的VBLANK期间跟前端缓冲交换（或者复制）了。HDMI信号的VBLANK是每秒60次，所以是60Hz。
假设我们面前只有两三个小兵，那游戏跑起来就绰绰有余了，GPU每秒处理100帧都是可能的。不过，356开启了垂直同步，游戏会等待VBLANK信号，所以帧数会稳定在每秒60帧。
这时候，有一个有脸的武将带领一大队小兵突然出现在视野里，游戏处理起来就吃力了。这时候，GPU每秒只能处理50帧了。游戏的帧数会是多少呢？
答案是30帧， 而不是50帧。
为什么呢？因为GPU错过了第一个VBLANK信号，就会等到第二个信号才会更新。所以帧数会变成30。
假如GPU的负荷又增大了，那会怎样呢？
帧数会变成20、15、12、10，60/N，以此类推。
我们再来思考一下，如果是CPU算不过来，每秒只能算50帧，那实际的帧数是多少呢？
答案是，50-30帧之间都有可能。
根据上面所学的知识，我们可以确定：356使用了垂直同步 + 双重缓冲，而且游戏的瓶颈是GPU。
现在我们都知道，在GPU是瓶颈的情况下，双重缓冲不是一个好东西了。
于是，一个叫做三重缓冲(Triple Buffering)的技术隆重登场~当当当当~
有了第二个后端缓冲，显卡就不用等待VBLANK信号了，直接在另一个缓冲上绘制就可以了。
当VBLANK信号到达的时候，一定会有一个后端缓冲是完成的状态，那么直接就显示那个就行了。
即便GPU不能在60Hz下更新，帧数也不会直接降到30了。
到了这里，帧缓冲相关的内容就结束了。
顺便提一下，SS和PS都有垂直同步的能力，但是因为存储器的容量有限，三重缓冲并不现实。所以，那个时期的游戏可以正常跳帧的并不多。
明天我们就来讲一讲PS1的光照了，大家明天见！

不过，需要注意的是，游戏中的法线数据是跟顶点对应的。每一个顶点对应一个法线数据。
这个法线数据的值，是它周围所有三角形法线数据的平均值。
有了所有顶点的法线数据，显卡就可以计算出任意一个像素所属三角形的方向了。就像我们以前说过的，这也是插值运算（Interpolation），是属于显卡的工作。
有了法线数据，显卡就可以做最简单的光照效果了。
我们来想象一下最简单的一个平面，当光线的方向和法线的方向完全一致是，光线是垂直射入的。这时候平面最亮了。
当光线的方向慢慢变化，它跟法线的夹角越大，平面能接受的光线就越少，就会越来越暗。

当光线和这个平面完全平行时，就接受不到任何光照了。
再转下去，平面就会背对光线，还是没有任何光照。
合金装备1里面人物的光照就是基于这么简单的原理。

具体的计算方法，就是简单的向量的点乘。把法线向量和光线向量乘起来，再乘以光源本身的强度，就得到了能接受光照的量了。
当光照的量最大时，这个像素的颜色就是纹理本身的颜色。
当光照的量是0时，这个像素的颜色就是黑色。
任何的中间情况都是可能的。
细心的玩家肯定要问：光源的颜色不同怎么办？如果有好几个光源怎么办？
当光源不是纯白色的时候，我们再乘以光源的RGB值就是最终的像素值了。
多个光源就是把RGB值加起来。
这些就都是很细节的内容。
今天我们说的这种最最基础的光照叫方向光照（Directional Lighting），因为光照的强度只跟光线的方向有关。以后我们会逐渐提到更复杂的光照技术。
最后，我们来复习一下，光照需要哪一种数据？