主机游戏技术普及。第一期完结

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我开始用微博啦：http://www.weibo.com/u/3173738052
请大家关注我的微博，粉碎谣言，还原真相，无论你关心主机游戏技术还是游戏设计，跟欧夏普聊都是非常好的选择。
火箭鸡的粉丝更不要错过，以后《火箭鸟2》的发奖会在微博粉丝中挑选。

大家都喜欢讨论次世代的技术，但是，有意义的讨论似乎不多。我觉得，这是因为玩家普遍缺乏技术背景知识的缘故。如果对基本的概念一知半解，不用说次时代了，恐怕就连SS、PS、N64等老式主机也不能有一个正确的了解。同时，也容易被一些业余的新闻所误导。

很多人肯定要问：这么嚣张，我靠！你算老几啊？ 答：自我介绍，我是写程序的，具体的工作内容是写主机游戏的程序。做过ps3和vita的游戏，现在忙着研究ps4。顺便一提，我的前任来自顽皮狗。 问：那你要写点啥？ 答：我每天写一点点，大家每天看一点点。内容就是很基础的3D主机游戏的背景技术知识。 三天就可以弄懂世嘉土星的基本3D图形技术，并且学会分析机能。一周可以搞定ps，再到n64，dreamcast，再到ps2，再到本世代，日积月累，弄懂次世代也不是问题。 问：那普通玩家岂不是离次世代很遥远了？这要到猴年马月？ 答：不不，了解次世代技术一点也不遥远，毕竟又不是完全掌握这种技术……只要每天认真阅读五分钟，积累一些知识，很快就能弄懂了。 问：好是好，不过这货是新闻？？？ 答：战区管理猿大大说发这，我觉得这是有深意的。新闻区喜欢战技术的人，特别需要认真读这篇。 现在就开始吧。

第一天 什么是3D模型？ 我们都知道，3D游戏世界中的人物和物体都是3D模型(3D model)。我们肯定还都听说过，一个模型有多少多边形(Polygon)这种说法，比如gt5每辆车用了50万多边形之类的说法。那么，3D模型到底是什么？多边形的说法真的科学吗？ 拿最简单的例子来说，我们要在游戏中显示一个立方体，该怎么办呢？ 答案是：首先，游戏需要知道这个立方体的所有顶点(Vertex)。中学课本告诉我们，立方体有八个顶点。对应到三维坐标系中，我们可以如此描述一个多边形： 顶点1：(0， 0， 0) 顶点2：(1， 0，0) 顶点3：(1， 1， 0) 顶点4：(0， 1， 0) 顶点5：(0， 0， 1) 顶点6：(1， 0， 1) 顶点7：(1， 1， 1) 顶点8：(0， 1， 1) 现在大家思考一个问题，有了所有的顶点数据(Vertex data)，就可以描述清楚一个物体了吗？ 答案是否定的。因为，根据顶点之间连线的不同，它们可以组成完全不同的形状。 所以，游戏还需要知道顶点之间是怎么连接的。这就是索引数据（Index data）。 我们再把物体简化一下，我们要画一个其中的一面吧。根据小学课本，一个正方形有四个顶点。 顶点数据： 顶点1：(0， 0) 顶点2：(1， 0) 顶点3：(1， 1) 顶点4：(0， 1) 索引数据： 123 134 索引数据的意思就是：顶点123组成一个三角形，顶点134组成一个三角形。于是，我们就有了一个正方形。 不管是士官长也好，还是德雷克也好，他们的形状都是由这两套数据构成的。当然，复杂的物体，顶点数会非常多，成千上万个很正常。 现在我们再来思考一个问题，平常我们说的多边形到底是什么？看看上面的索引数据，3D模型明明是用三角形来描述的呀！ 没错，三角形的数量才是描述一个3D模型复杂度的标准。显卡处理的是三角形，而不是多边形。据说，多边形是早期绘图软件所使用的标准，后来不知道为什么被沿用了而已。 那么，第一天的内容就结束了。明天我们来看一下，什么是贴图(Texture)？最后，我们来复习一下，3D模型由什么数据组成的？

A9众A：靠，这么简单！当我***啊！ 答：学有余力的玩家，如果想知道一些技术细节，可以去读一下这一篇：http://en.wikipedia.org/wiki/Triangle_strip A9众B：靠，这么难！确定你说的是中文？ 答：我哪里讲的不清楚的话，回帖讨论吧。 大家明天见。记得，三天学会分析SS的3D机能。次世代不遥远。

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！


第四天 实战SS机能分析2：显卡

下了班，还要洗碗，还要洗衣服喔~~~

接着昨天的话题，今天要聊一聊显卡，或者更准确的说法，是3D图像处理器（现代的硬件通常叫做GPU）。

在A9经常看到很多热心的玩家，天天讨论显卡，这个特性那个特性，一个比一个高级。不过我相信，还是会有不少玩家，会真正好奇，显卡究竟是怎么工作的？

今天我们就来聊这个问题！

下面要说的，是一个十几年没变过的道理。显卡的主要工作有两个：
1.根据显存中3D模型中的顶点坐标、以及CPU给的信息，把它们转化成屏幕上的位置。
2.给顶点之间的线和面上色。

那么，既然有了顶点数据，为什么要再算位置呢？

因为我们第一天说的顶点数据，那些坐标是相对于物体自己的坐标。

那么，又关cpu什么事呢？因为我们游戏里不同的物体会有不同的运动轨迹，当然就需要单独控制了。

动画数据和人工智能是由cpu来计算的。（严谨的说，这是有特例的，不过大家暂时不必理会那些复杂的技术。即便在次世代，这个表述也通常是成立的。）

拿到了顶点数据、以及它们转化的方式，图像处理器（GPU）就能知道每个顶点对应屏幕上的位置了。

关于第二点，想必大家已经在第二天的文章中理解了。

顶点之间的线和面，除了可以蒙上纹理（Texture），也可以用更简单的方法，或者更复杂的方法上色。

就SS的图形处理器的特性来说，简单的蒙上纹理已经是最高级的方式了。

最后，大家再记住一个重要的结论：
1.顶点的处理，它的复杂度跟顶点的数量有关（A9众：废话）
2.像素的着色，它的复杂度跟屏幕上的像素的数量有关（A9众：又是废话。。。）

如果大家能这么想，我的目的就达到了，哈哈。

其实想要了解主机游戏的技术，并没有什么太深奥的地方。SS的硬件非常简单，我可以直接抽丝剥茧，大家用最直观的方式理解问题就好了。

不过，要想真正深入的理解，还是需要想一想，是不是所有细节问题都能解释呢？这就是留给大家的思考题了。

如此一来，显卡的工作，几句话就讲完了。

我估计，今天A9众的意见会比较分化，也许有些人觉得太简单， 有些人觉得难以理解。尤其是顶点的转换。

觉得还不够爽的同学，可以看这篇：
http://robertokoci.com/world-view-projection-matrix-unveiled/

觉得一头雾水的同学，欢迎回帖提问。


最后我给大家爆个料：其实SS的显卡是处理四边形（Quad）的。

A9众：你不是说显卡只能处理三角形吗！！！我再也不相信爱情了！

其实啊，SS的显卡是唯一的特例，而且对我们分析问题也是没有影响的。如果我们不在一开始就统一标准，那我们就不能来做精确计算了。

多数的SS游戏的素材，都是三角形组成的，最后转化成四边形而已。一些第一方的游戏除外。后来的dreamcast就不用这么奇葩的方式了，改为处理标准的三角形了。

而且，即便是四边形，仍旧可以拆成三角形来分析，结论是一样的。


好了，明天我们来入门3D机能的最后一方面：带宽。而且会对SS的机能做一个结论，大家明天见！


最后爆一张我的打机环境吧~



第五天 实战SS机能分析3：带宽（Bandwidth）

首先，我决定把对SS的总结延后，直到跟ps和n64做比较时再来说明。

对的，以后会有SS vs. PS vs. N64的3D机能大对决！三个宿敌的命运对决会是什么样的呢？这就需要大家每天认真读一读，不然到了那天就看不懂了。

有人回帖说，：楼主你有很多东西没有讲到！SS有两个cpu你怎么不提啊，你是不是专门来黑世嘉的啊？！

其实SS可不止两个cpu，还有两个图形处理器，两个声音处理器等等，还有10种不同的存储器。那么，我为什么之前都没提到呢？

假如我要是把这些错综复杂的东西都讲了，那估计也就半年以后啦~也没几个人能理清思路的。

讲解问题就是越简单越好。大家想一想，为什么我选择从SS开始呢？就是因为SS的处理器和存储器，它们的数量虽然多，但是功能恰恰都是分开的。所以在分析SS的3D机能时，只需要考虑一块处理器和一块存储器就可以了。非常适合教学，也不会不严谨。

这样一来，在众多的信息中，我就可以抽丝剥茧，来讲解重点了。其余的内容，等以后需要用到时，我们再继续聊。


今天，我们来看决定3D机能的最后一个要素，运输队（带宽）。

首先，究竟什么是带宽？

根据前几天学到的知识，数据是需要在存储器和处理器之间传输的。

所谓带宽，就是你传输数据有多快。如果运输队运输的太慢了，即便处理器的速度很快，它也拿不到足够的数据来处理不是？整体的运算速度就下来了。

数据传输主要有如下几种：
1.显卡从显存拿数据的速度。
2.CPU从内存拿数据的速度。
3.显存和内存之间通讯的速度。

（再一次注意，今天讲的所有原则，不完全适用于xbox 360、Wii U、PS4、xbox one这四台主机。）

其中，在较为现代的游戏主机中，拖3D图形性能后腿的，就是第一条和第三条！特别是xbox 360和ps3这个时代。这个事实非常重要。

而较为古典的游戏主机中，只要第一点不出问题，就不会影响3D图形性能了。

以SS的情况来说，因为没有什么特效需要处理，所以带宽是不存在任何问题的。


那么，上面每一条的具体含义什么呢？它们分别是用作什么的呢？我们就来仔细的聊一聊吧。


第一条，其实我们之前讲过。显卡的工作，多半就是顶点转换和像素着色。而顶点和纹理都是在显存里的。（以前有讲过喔）

所以，大家应该很容易理解才对。


第二条，跟第一条是类似的。CPU需要从内存拿它需要处理的数据。

那么这些数据都是什么呢？

大家记住，通常，游戏的动画控制，人工智能，物理效果，这些东西所需要的数据都是在内存里面的，也都是需要CPU负责处理的。所以，CPU当然要从内存拿数据了。


第三条，情况就稍微复杂一点了。

我们顺着第二条的思路，CPU计算出了第二条中列出的效果，是需要把这些结果告诉GPU的。

那么，究竟怎么通讯呢？

我们知道，CPU只能读写内存，GPU只能读写显存。这样一来，真相就只有一个了！

内存和显存之间，需要通讯。


很多玩家肯定会问了：你说的这些通讯的数据量，应该会很小吧？你想啊，主要的显示数据不是已经在显存里了吗？

是的，对应SS这样的主机，这些数据量很小，肯定不会拖后腿的。可是后来的主机会利用这条带宽，做出非常出色的效果，这些技术就对带宽要求很高了。

虽然现在讲解这一点并不合适，但是我还是可以跟大家稍微提一下，这条带宽可以用来做什么。

其实就包括了我们经常听到的名词：光照和阴影，粒子效果，全屏反锯齿，HDR，Bloom，SSAO，景深效果，等等，不计其数。

这些高级的技术，还会在显存中创建非常多的数据，因此，第一条中显卡和显存之间带宽的需求，也会急速膨胀。大家暂时有一个大致印象就好了，我们以后会仔细解释的。


如此一来，我们用了三天的时间，大家就已经掌握了分析3D机能的基本方法了！

很多玩家又要问了：这些东西可以用来拿来分析SS，但是对次世代主机也适用吗？

答案是，基本思想肯定是适用的！但是，因为很多技术细节发生了变化，所以分析起来需要更多的步骤。


最后，大家复习一下，决定游戏主机3D机能的三大因素是什么？


明天，我们就要开始看索尼Playstation的特性了，这个一个非常激动人心的开始。大家明天见！


第六天 半透明效果（Alpha Blending）

今天版主大大zackxs来我家玩了。他玩了一下午的游戏，我做了一下午的家务。真是怀念学生时代的生活啊~

今天他玩的游戏，恰好是playstation上核弹级别的游戏：Metal Gear Solid。

虽然我以前也通关了好几回，但是这一次，我认真的观察了这个游戏所使用的技术。

首先，我注意到，游戏中是使用了大量的半透明效果：呼吸的白气，手雷的爆炸和烟雾，枪口的火花，灯光效果等等。

然后，这个游戏的人物，居然都是有光照的！

人物走到灯光下面，身体面向灯光的一面，会被照亮。这种定向光照（Directional Light）还是非常准确的。

当然，这种效果不能和现在的游戏比较了。


由此，我们知道，Playstation游戏中的很多效果，和土星是不一样的。

今天，我们就来聊一聊第一个不同：半透明效果（Alpha blending）。


在那之前，我们先来讲一下基础的RGB知识。想必多数电脑用户是知道这个的。

电脑中的颜色是由红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）这三个通道组成的。通过组合RGB这三个数值，就能得到游戏中的五颜六色了。

如果还是不理解的话，就先看看这篇文章吧：http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4 ... 9%E6%A8%A1%E5%BC%8F


好，我们进入正题。大家看下面的图。



怎样才能把半透明的圆圈叠加到方块上面呢？显卡是怎样决定最终的RGB值呢？

我们需要知道三个信息：
1.背景像素的RGB值
2.叠加的半透明像素的RGB值
3.叠加的半透明像素的半透明值（Alpha value），范围是0-1。0代表完全透明，1代表完全不透明。


具体的公式是：
最终的RGB值 = 背景像素的RGB值 X （1 - 半透明值） + 半透明像素的RGB值 X 半透明值

假如觉得有点绕的话，可以这样理解：假如半透明值是0，那最终的RGB值就跟背景像素一样。假如半透明值是1，那最终的RGB值就跟叠加的像素一样。

任何中间的情形，就是半透明效果了。


很多玩家肯定会问：这只是2D游戏的情况啊，那3D游戏呢？

3D游戏是完全一样的。看下面的图：



显卡的决定最后像素的时候，就是叠加两个RGB值而已。


玩家肯定又问了：这只是两层的情况啊，那三层和更多层是怎么处理的呢？

也许有人会不相信这个答案：有几层就要算几次。

为什么显卡这么笨呢？

因为这是唯一正确决定最后像素RGB值的方法。以后我们讲到物体排序（Sorting）的时候，再详细解答。


那么，这种半透明效果，对显卡的要求高不高呢？

答案是，高！

我来举一个顽皮狗的栗子吧！

神秘海域1大家知道吧？那个游戏里面的手雷烟雾，是完全没有透明效果的！不做特别优化的话，连PS3的显卡都处理不来。

是不是有点匪夷所思呢？

更加匪夷所思的是，按说ps vita的机能不如ps3，为什么vita版的神秘海域没有这个问题呢？

明天我就会详细讲解，为什么顽皮狗一开始搞不定这么简单的效果？而在神秘海域2中是怎么解决半透明效果这个难题的?

大家明天见！


最后，假如大家好奇我个人最喜欢玩什么游戏的话，那就看一下这张照片吧：






第七天 深度缓冲（Depth buffer或者Z-buffer）、帧缓冲（Framebuffer）以及像素填充率（Fillrate）


大家是不是很好奇？为什么顽皮狗在神秘海域1中搞不定手雷烟雾的半透明效果？

为了解答这个问题，我们必须引出一个概念，叫做深度缓冲（Depth buffer或者Z-buffer）。

首先，这个深度缓冲是啥呢？

我们在屏幕上看到的一个一个像素，它们除了有颜色的RGB值以外，还有一个深度值（Depth Value）。

这个深度值是什么呢？大家想想看，3D游戏的物体都是有三维坐标的，对不对？那投射到屏幕上肯定也是一个三维坐标，对不对？比如说，树木在前面，就会挡住人物。

这里我们暂时不讨论3D电视。因此，我们的屏幕都是二维的，要想存储一个像素所有的信息，就必须要有额外的信息，那就是深度值。

而所谓的深度缓冲，就是帧缓冲（Framebuffer）中的所有像素的深度值。

那什么又是帧缓冲呢？我先从最简单的情况入手吧。

在高清游戏主机中，帧缓冲的内容，就是你在屏幕上看到的所有像素的颜色值和半透明值（Alpha value）。

对于大多数的情况，像上面这样理解就可以了，完全没有问题。

不过，在比较传统的主机中，帧缓冲和屏幕上的像素还是有点区别的。因为主机的帧缓冲会比屏幕范围稍微大一点。实际显示的区域，要比显存中的帧缓冲要小一点。

对了，帧缓冲和深度缓冲都是在显存里面的。这是一个重要的事实。

世嘉青：那楼主我太感谢你了啦！你在分析土星机能的时候，居然没有把Framebuffer算进去耶！这样就能存更多的四边形了啦！

可不是我偏袒SS啊，因为SS有专门的两块存储器（2 X 256KB）来放帧缓冲，所以那块512KB的显存就可以专门用来放3D数据了。

细心的玩家肯定发现了：居然有两个framebuffer！

通常情况下，会有两到三个的。以后我们讲到垂直同步的时候，再详细聊一聊吧。

好，现在大家来复习一下：帧缓冲（Framebuffer）里面有什么？深度缓冲（Depth buffer或者Z-buffer）里面有什么？


现在要进入正题了。这个深度缓冲到底有什么用呢？

大家想象一下，我们先画了一个人物。如果一棵树也在同一个像素位置有像素，那么GPU就会比较两者的深度值。如果这个像素在人物后面，就不用画树的像素了；如果在人物的前面，在帧缓冲里面，这个新像素的颜色值就会替代人物像素的颜色值，深度值也会更新。

比较近的物体遮挡比较远的物体。这个显卡处理的硬件优化过程叫作Z消隐（Z-culling）。

以后，等我讲到排序（Sorting）的时候，就会讲到一个重要的事实。大家暂时先记住：
Z消隐（Z-culling）这个优化，只能应用在没有半透明的场景里。

如果所有物体都没有半透明效果的话，那么可以保证屏幕上的像素基本没有任何重画。屏幕上有多少像素，显卡就需要画多少像素。

如果物体有半透明的效果，那么显卡的工作就会繁重很多了。这个物体在屏幕上占据多少像素，这个区域所有的像素都需要重新计算一遍。

神秘海域1里面的手雷烟雾，经常是会占据一大半屏幕的。假如有半透明效果的话，屏幕上的像素就都需要处理两三遍。这就击中了PS3的显卡RSX的一个很大的软肋，像素填充率（Fillrate）太低。

所谓像素填充率，就是显卡画像素的速度。

严谨的说，并没有一个统一的标准来衡量它。究竟是画一块单色的像素的速度呢？还是画一块有纹理有光照的像素呢？它们之间的区别很大。

但是经过实践，业界是有共识的。RSX处理有纹理有半透明效果的像素，速度确实不理想。

因为，即便是顽皮狗，也只好让烟雾没有半透明效果。这样子，RSX就可以做Z 消隐了。

PS Vita的显卡，虽然运算速度不如RSX，但是，它却没有像素填充率的软肋！所以，包括我在内的很多游戏开发者，都松了一口气。

那么，在神秘海域2中，这个问题是怎么得到解决的呢？这就是CELL处理器的威力了，等我们以后解析PS3的时候，再说吧。


明天我们应该会开始光照的入门话题，大家明天见！

最后，向大家求一个图床。很多人说看不到图呢。。。



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。



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：




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！



第十天 光照（Lighting）基础

首先，要跟大家说声抱歉。因为我前几天的难度没有把握好。

我这一系列文章的目的，是让普通的玩家对主机游戏的技术有所了解，并且产生兴趣。了解的程度完全是由读者来决定的。

基于这个目的，分析问题的方法就比知识重要多了。这也是为什么我讲解的都是普遍的原则，而比较少提到非常细节的知识。

比如说，现在大家都知道SS是不用三角形的，但是我还是坚持，在结论准确的情况下，统一标准使用三角形来计算和分析问题。互联网上流传的错误结论很多，只有掌握了分析的能力，才能去伪存真。

而前两天的文章有点本末倒置，细节太多，方法太少。我会注意回归正轨，更好的满足普通玩家的需求。

当然，也非常欢迎各位看管踊跃讨论和指正。


今天要开始聊最基础的光照（Lighting）。

首先我们来复习一下，之前学过哪几种数据？

顶点（Vertex），索引（Index），UV，纹理（Texture）。

而为了实现最基本的光照，我们还需要一种额外的数据，叫做法线（Normal）数据。

很多玩家肯定要说了：我听说过！法线贴图是吧！

我想他们指的是Normal Map，这跟我们的法线数据是两回事。

法线数据是用来记录每个三角形的指向的。它也是一个xyz三维坐标。

每个三角形都在一个平面上，它的法线的方向就是垂直于这个平面的方向。



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***照了。

再转下去，平面就会背对光线，还是没有任***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？


大家明天见！来一张真三国无双系列的图，我收集的非常不全：



351买的psn上的数字版，357被zackxs拿走了！



后记

本文的第一期就完结了啦~

我们已经学会了3D游戏的各种数据类型，我们还学会了最基础的分析机能的方法，以及一些初级的特效。虽然主机和主机之间具体的实现方法有很大的不同，但是它们都是基于这些基本原则来工作的。

基于这些普遍的标准构成的抽象方式，机能的比较才成为可能。


不知不觉中，我已经完成了万言书。这么长的文章，想必不犯错也困难吧。

接下来的两三天，我会对前十天的内容进行修订，同时也会加入一些精彩回帖。

本系列第二期应该会从本周末开始，请大家继续捧场和指正~我们会从Nintendo64的新特性出发！


最后，我昨天看到一个链接：http://club.tgfcer.com/viewthrea ... e%3D1&frombbs=1

我先摘录一些有价值的评论。


1. 看作者写了一堆SS，PS什么的，基本可以肯定作者既没看过（或看懂）PS的SDK也没看过（懂）SS的SDK。还alpha混合与深度缓存呢……

2. 他讲的这种3D流水线结构，只适应于N64和之后的Console。并不适应之前的。
比如PS和SS都没有Z-buffer，自然也没有Z-test，自然贴图也没有透视矫正。
关于Alpha-Blending，无论PS还是SS,都没有所谓的Alpha混合，而是半加，半减之类的方式，所以当初这个功能叫做半透明，是有道理的。说确切的话，它们根本没有alpha通道这个概念，而是用color key来表示纹理透明/不透明。SS最高支持到24bit，而PS支持到16bit（1555格式）。
此外，它关于UV，Index，Vertex等等的描述，也不符合PS/SS的形式，它们不使用浮点数，顶点基本是以UInt16这种16bit定点数来表示。另外SS没有UV的概念，它都是sprite，至于Vertex Index，PS/SS硬件和API本身是没这个概念的。
直接总结的话
SS本质就是一台2D机器：3D顶点变换靠CPU硬算，fragment部分就是一纯2D硬件。半透明受限是源于SS对变形sprite的绘制方式不支持半透明。
PS本质是一台增强了部分3D性能的2.xD机器：它有一个矢量运算加速器GTE,因此顶点变换等操作要快速得多。但它的fragment部分，依然只能算一个2D绘制硬件，比SS强的部分是2D贴图功能的增强，至少支持了UV mapping这种形式而不只是SS那种sprite形式。也正因为如此，它的半透明功能限制较少。

3. 这个作者语气让人不爽，动不动就是对不对，对不对？娘炮
和每句话后都要加
是不是这个道理？
不是差不多。

4. 本来是讲ss，所以去看的，结果作者根本不懂ss硬件，分析ss带宽一点数据都没有，各个总线频率带宽都没有，这就是个**，搞到底他就不懂ss和ps的硬件。。。

5. RSX有22.8GB/S的独立带宽，PSV带宽多大？感情PSV跟PS2一样有嵌入式DRAM？当然就以目前PSV一般480P甚至都不到的分辨率来说，说像素填充率不是瓶颈倒也可以理解

6. 看文章就知道这作者只了解现代光栅化的软硬件体系，还非要拿这个去套90年代3D古早期的设备，最后结果只能是关公战秦琼
给完全不了解的人补补常识还可以，深究就不行了

7. 其实哪怕在2000年以后，模型的顶点位置存储，不使用FP32，使用16位的一些格式之类，也不罕见，所以他一上来就按FP32x3来算Pos内存占用，按32bit算Index内存占用（16bit的Index现在都还有用啊），FP32x2算UV内存占用实在是无厘头。更何况后两个根本和SS没什么关系，再辅以‘小学加法’等耸而无力的语言描述，实在让人那个啥，扼腕叹息啊……感受一下是不是这个道理？



不得不说，链接里好多人在对本文做讨论时，一直离不开对我的智商、含水量和性取向的质疑。我也懒得编辑了，毕竟一半的内容还是值得讨论的。

对于那些人，我不做任何方面的假设，但是可以肯定的是，他们对我没有善意。如果存有一丝善意的话，在他们认为本文漏洞百出的时候，起码应该会过来跟我提醒一声，这才是人之常情。不料，本行业在国内恐怕是丛林法则在主导了。

对我没有善意的人，一定是没法跟我沟通的。

所以我放来A9，大家积极回帖讨论吧~

周末见~

55256636°Д°

业内人士啊 前来蹭面子

feawea

感谢“专家”为大家带来的“超专业”内容。。。话说做游戏的流行PG干售前的活？

khas5566

科普帝！顶下！！！！！！

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