如何搭建一个适合自己的高级渲染引擎？

2024-01-29

设计要求

1、无需参考任何成熟的商用引擎。根据自己的设计需求编写渲染引擎。实现后游戏引擎中的api 虚拟现实系统，与成熟的商业引擎进行比较，看看它们是如何设计的。

2、引擎支持多种图形API，如DX12、Vulcan等。

3、引擎采用ECS架构。

4.引擎更多的是为了学习，所以会设计得更容易理解。因此，我们并不追求极致的性能和存储空间。

5.能够支持遮挡消除、高级光影效果、大气、海洋、植被等复杂场景。

为什么要使用ECS架构

我只是觉得ECS是一个很好的架构思想，所以我想通过这个引擎来验证这个架构。

面向对象设计的三个基本原则是封装、继承和多态。继承的想法是非常不合理的。例如，当我第一次接触游戏时，我确实对一路继承的PlayerObject对象感到困扰。后来大家就不再用继承，而用组合了。

封装和组合是面向对象的合理表达方法。 ECS架构非常接近组合的思想，但是将数据和操作分离。它看起来像是面向对象和面向过程的结合。实体具有一定程度的封装性。它告诉我们它有哪些组件（数据）。 Component是数据的抽象，System以面向过程的方式处理这些数据。

如何支持多种图形API

现在让我们设计一个渲染引擎。第一个问题是一个复杂的场景有n个不同的对象，它们使用不同的着色器和不同的贴图。我们应该如何组织这些对象才能正确渲染它们。

让我们把问题简单化，忽略细节。假设场景中有n个实体。如何正确渲染它们？

嗯游戏引擎中的api 虚拟现实系统，这很简单。可以通过 for 循环来完成。

void DrawFrame()
{
    for( i = 0; i < entity.count; i++)
    {
        Draw(entity);
    }
    
    Present();
}

我们从图形API的角度来看一下这个Draw需要做什么工作。

我们来重写一下伪代码

void DrawFrame()
{
    for( i = 0; i < entity.count; i++)
    {
        SetVB();
        SetIB();
        SetConstant();
        SetRenderState();
        SetVSAndPS();
        SetTexture();
        ExecuteCommandLists();//执行渲染
    }
    
    Present();
}

现在添加一个要求，每个Entity可以渲染多次，比如轮廓效果。为了表示一次渲染，我们抽象了一个概念，叫做Pass。一个Pass代表了一个完整的渲染管线的执行。每个Pass使用相同的VB和IB，因此不需要重置它们。对于常量缓冲区，有些属于Entity，有些属于Pass，所以我们将其拆分为EntityConstant和PassConstant，并且VS、PS和纹理可能会被重置。

void DarwFrame()
{
    for(int i = 0; i < Entity.cout; i++)
    {
        SetVB()
        SetIB()
        SetObjectConstant();
        for(int j = 0; j < Pass.Cout; j++)
        {
            SetPassConstant();
            SetVSAndPS();
            SetTexture();
            ExecuteCommandLists();//执行渲染
        }
    }
    
    Present();
}

很高兴我们已经支持具有类似连接效果的多通道渲染。现在还有另一个问题。我们希望关闭一些低端设备上的挂机效果，以换取游戏的流畅运行。我们引入了SubShader的概念来解决这个问题。因为这是一个学习引擎，我们不会为不同的硬件编写不同的Shader。但为了后续的可扩展性，我们还是在框架中加入了SubShader。

void DarwFrame()
{
    for(int i = 0; i < Entity.cout; i++)
    {
        SetVB();
        SetIB();
        SetObjectConstant();
        SubShader = SelectSubShader();
        for(int j = 0; j < SubShader.Pass.Cout; j++)
        {
            SetPassConstant();
            SetVSAndPS();
            SetTexture();
            ExecuteCommandLists();//执行渲染
        }
    }
    
    Present();
}

渲染引擎先渲染不透明物体，然后渲染透明物体，所以我们需要对Entities进行排序。我们需要为每个实体分配渲染优先级。同时，我们为每个Entity分配一个Material来管理渲染相关的所有数据，我用一个图来表示每个抽象对象的归属关系：

假设场景中有多个物体，分别使用两种材质A和B，那么渲染顺序AAABBB和ABABAB有什么区别？很明显，使用AAABBB可以降低渲染状态切换的成本。但如果场景中开启了遮挡剔除，我们需要根据相机的位置进行排序渲染，这样就无法保证AABBBB渲染。因此，我们的渲染引擎需要根据不同的技术对渲染对象进行分类和排序。

图中绿色部分是资源。这些资源需要从磁盘加载到内存中，例如模型、纹理、声音和着色器。读磁盘是一个浪费CPU的操作，所以我们需要管理这些资源。我们使用参考技术来管理这些资源。使用引用计数会导致循环引用并导致内存泄漏吗？这里不行，这些资源只会被别人引用，不会引用其他对象。您可以放心地使用引用计数。我们会在适当的时候调用GC来释放没有被引用的资源3D场景，比如切换场景的时候。

针对上述需求，我们根据ECS架构抽象出类：

Entity：代表游戏中的一个实体，包括各种组件如：Transform、meshdata引用、mat引用等。

EntityManager：管理Entity的单个实例

IResource：声明一个用于引用计数的接口

ResourceManager：管理资源的单例

CPTexture：CP前缀代表Component，是CPU端存储纹理数据的类，继承自IResource。

CPMeshData：CPU端存储顶点数据的类开发学习，继承自IResource。

CPShader：对应ID3DBlob类。需要与其他图形API区分开来。游戏开始后它会驻留在内存中。

CPPipelineState：对应于 ID3D12PipelineState 类。需要与其他图形API区分开来。游戏开始后它会驻留在内存中。 CPPipelineState 的数量应该与 Mat 的数量一样多。

CPObjectConstant：主要是坐标变换矩阵。

CPPass：包含 PassConstant 数据、纹理和对 PipelineState 的引用。

CPSubShader：包括多个CPPass。