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  • 引擎设计跟踪(九.14.2f) 最近更新: OpenGL ES & tools

    之前骨骼动画的IK暂时放一放, 最近在搞GLES的实现. 之前除了GLES没有实现, Android的代码移植已经完毕:

    [原]跨平台编程注意事项(三): window 到 android 的 移植

    总的来说上次移植的改动不是很大, 主要是DLL与.so之间的调整和适配, 还有些C++标准相关的编译错误. 数据包的加载/初始化/配置文件和插件的加载测试可用了, 但GLES没有实现, 所以上次的移植只能在真机上空跑.

    最近想在业余时间抽空把GLES的空白填上, 目前接口调整差不多了, GLES runtime正在填实现.

    1.先简单说下Tile Based Rendering GPU的原理和注意事项

    • TBR方式会将屏幕空间划分为若干个Tile, 每个tile比屏幕小, 比如32x32.
    • TBR会把几何数据在屏幕空间划分到每个tile, 然后对每个Tile进行渲染, 几何数据可能是跨很多tile的, 所以需要一直保存, 而且drawcall的几何数据越多, 耗费的内存越大.
    • TBR的架构, GPU内部有针对Tile的快速内存(fast memory, 暂时先叫tile cache吧), 访问速度很快. 但是video memory一般不是卡载的物理显存, 而是使用系统主存,  video memory 到cache的传输相对比较慢.
    • 由于Tile Cache的存在, 去读写depth 和color 都很快.这和现代PC的GPU不同. TBR的blending, depth write/test, multisample相对来说都会快些. 对于深度不同的像素, 即使重复着色, 也只是在Tile Cache上进行, 最终一次写入到video memory(实际中使用发现alpha blend仍然是比较慢的操作).
    • 由于Tile Cache到video memory很慢, 所以GLES提供了InvalidateFrameBuffer的hint, 对于这种架构, 可以避免cache和memory之间的额外传输.
    • 如果GPU有hidden surface removal 特性(PVR GPU), GPU会去排序这个几何数据, 只在Tile Cache上绘制可见的部分, pixel负载小很多. 所以app在绘制的时候, solid物体不需要按距离排序, 但是discard/texkill 会导致其特性失效. 对于失效的情况, 或者没有该特性的GPU, 仍然可以利用early z: 使用传统方式的pre-z pass先写深度.
    • Tile Based GPU的几何负载(三角形数量)相对要比现代PC的GPU要低很多. 现代PC几百万的三角形是小意思, 但是Tile based需要保存这些几何数据, 用于各个tile的渲染, 内存和运行开销都比较大.

    2.GLES和D3D接口统一

    渲染接口基本类似, 有等价的实现, 主要在shader接口:

    GL/ES是运行时link program, 他的shader是中间对象.D3D一般是离线编译然后运行时直接载入.

    GLES3有glGetProgramBinary和glProgramBinary, 可以保存和加载编译后的shader.但是编译和保存仍然要在target device上做.

    Blade之前的接口是IShader => D3D9VertexShader : has a IDirect3DVertexShader9 

                                        => D3D9FragementShader : has a IDirect3DPixelShader9 

    现在的接口把shader类型合并, 不再有不同类型的的shader 对象, 而是一个shader包含了vs和fs等对象

    IShader => D3D9Shader : has a (IDirect3DVertexShader9 & IDirect3DPixelShader9 )

                => GLESShader : has a gl program

    同时IRenderDevice:: setShader( EShaderType, HSHADER&  ) 改为setShader(HSAHDER&)

    GLSL/ES的shader, 所有的uniform和vertex input stream(vertex attribute) 都没有semantic. 需要用户自己根据名字来绑定和设置.

    对于uniform, 因为Blade的shader resouce 会额外的保存一个semantic map, 用于更新引擎内置的变量, 比如WORLD_MATRIX, EYE_POS等等, 所以uniform的绑定和更新没有问题.

    而对于vertex atribute, 现在的做法是, 把这些变量使用固定的名字替换. 比如 HLSL中的POSITION0, 对应的GLSL, 其变量名字叫做blade_position0.

    这样就可以在运行时glBindAttributeLocation, 绑定到VBO上.

    3.工具

    打包工具BPK已经有了,runtime也在android上测试可用. 目前需要的工具有:　shader compiler, texture compressor.

    shader compiler使用的是HLSL2GLSL:

    先说下windows下现有的shader compiler:

    offline:

    HLSL ==(TexShaderSerializer::load) ==>  D3DSoftwareShader : compiled binary == (BinarySerializer::save) ==> binary shader : with semantic map

    runtime:

    binary shader ==(BinarySerializer::load)==> D3DShader

    GLES下已经做的shader compiler:

    offline:

    HLSL ==(TexShaderSerializer::load) ==> D3DSoftwareShader : compiled binary with HLSL text ==(replace with GLSL)==>

    binary with GLSL text ==(HybridShaderSerializer::save)==> hybird shader :　text with binary semnatic map

    runtime:

    hybrid shader ==(HybridShaderSerializer::load)==> GLESShader

    对于GLES3.0, 可以在启动时将shader(program)保存为binary(只保存一次), 这样shader以后不用再编译, 加载速度会快很多.这个以后也会做.

    (https://software.intel.com/en-us/articles/opengl-es-30-precompiled-shaders)

    GLES2的扩展有glShaderBinary, 不过是保存链接前的shader,  而不是链接后的program.

    starting up precompile: once and for all

    hybrid shader ==(HybridShaderSerializer::load)==> GLESShader ==(BinaryShaderSerializer::save) ==> binary shader

    runtime:

    binary shader ==(BinaryShaderSerilizer::load) ==> GLESShader

    需要记录的是IShader是渲染设备/API相关的接口, 其接口抽象位于foundation library, 实现在另一个DLL/so. 而ShaderResource和所有的ShaderSerializer是可复用的,平台无关的. 整个Graphics Subsystem是平台无关的, 具体平台相关的优化(比如Tile Based)需要用渲染配置文件(这个文件的范例.xml以前记录过)来做, 还有Blade::IRenderDevice内部的implementation来做针对的处理.

    shader compiler因为用了三方库, 所以目前做完了, 可以转换为GLSL ES 3.0,  等runtime填充玩, 有了压缩纹理格式就可以测试了.

    texture compressor是把纹理压缩成目标平台使用的格式, 这里Blade准备用的是ETC2/EAC. 之前blade在windows上是实时压缩, 因为看到国外有的引擎这么做, 主要优点是用png保存在磁盘节约磁盘空间,png的压缩比要比S3TC高. 但是使用中发现,对于大贴图, 加载稍微有点慢, 而且对于移动端, 在线压缩也不是好方法,这个之前提到过. 以后的方案改为先离线压缩好贴图, 所有平台统一使用这种预压缩方式.

    texture compresstor的话, 最近工作太忙, 没有太多业余时间. 可能也没时间去手写, 会用三方库来做压缩. 目前还没做, 后面会做. 还要做的是, 梳理目标平台数据生成/打包流程. 即综合shader compiler, texture compressor, BPK packager, 一次性生成最终数据的build/project script.

    其他的游戏数据, 已经设计成跨平台的, 理论上也应该是跨平台, 不需要做任何额外处理. blade现有的x86和x64用的都是相同的数据或者BPK数据包. 但是android上面可能需要调试.

    最后, HLSL之前的uniform semantic解析, 是放在文件的注释里面的: 

     1 //!BladeShaderHeader
 2  2 //![VertexShader]
 3  3 //!Entry=TerrainVSMain
 4  4 //!Profile=vs_3_0
 5  5 //![FragmentShader]
 6  6 //!Entry=TerrainPSMain
 7  7 //!Profile=ps_3_0
 8  8 
 9 #include "inc/light.hlsl"
10 #include "inc/common.hlsl"
11 #include "inc/terrain_common.hlsl"
12 
13 //![Semantics]
14 //!wvp_matrix = WORLD_VIEWPROJ_MATRIX
15 //!world_translate = WORLD_POSITION
16 
17 
18 void TerrainVSMain(    
19     float2 hpos        : POSITION0,
20     float2 vpos        : POSITION1,
21     float4 normal    : NORMAL0,        //ubyte4-n normal
22 
23     uniform float4x4 wvp_matrix,
24     uniform float4 world_translate,
25     uniform float4 scaleFactor,        //scale
26     uniform float4 UVInfo,            //uv information
27     
28     out    float4 outPos : POSITION,
29     out    float4 outUV  : TEXCOORD0,
30     out float4 outBlendUV : TEXCOORD1,
31     out float3 outWorldPos : TEXCOORD2,
32     out float3 outWorldNormal : TEXCOORD3
33     )
34 {
35     float4 pos = float4(hpos.x, getMorphHeight(vpos, hpos+world_translate.xz, eye_position.xz), hpos.y, 1);
36     pos = pos*scaleFactor;
37 
38     float blendOffset = UVInfo[0];
39     float tileSize = UVInfo[1];
40     float blockSize = UVInfo[2];
41     float blockUVMultiple = UVInfo[3];
42 
43     //normalUV
44     outUV.xy = pos.xz*(tileSize-1)/(tileSize*tileSize) + 0.5/tileSize;
45     //block repeat UV
46     outUV.zw = pos.xz*blockUVMultiple/blockSize;
47     //blendUV
48     outBlendUV.xy = pos.xz*(tileSize-1)/(tileSize*tileSize) + blendOffset/tileSize;
49     outBlendUV.zw = pos.xz/tileSize;
50 
51     //use local normal as world normal, because our terrain has no scale/rotations
52     outWorldNormal = expand_vector(normal).xyz;    //ubytes4 normal ranges 0-1, need convert to [-1,1]
53     
54     //don't use full transform because our terrain has no scale/rotation
55     outWorldPos = pos.xyz+world_translate.xyz;
56 
57     outPos = mul(pos, wvp_matrix);
58 }

    现在去掉了注释中的声明, 改成了HLSL的格式. 之前因为D3D的Effect才支持解析uniform的semantic, 所以误以为, 这种格式只有.FX才支持, 如果直接用D3DCompile会报错.

    但是前几天试了一下, D3DCompile不会对unform的semantic报错, 只是直接忽略掉它了. 所以全部改成这种格式. 

    需要稍微加点代码手动解析semantic, 用tokenizer就可以了.

     1 //!BladeShaderHeader
 2 //![Shader]
 3 //!VSEntry=TerrainVSMain
 4 //!VSProfile=vs_3_0
 5 //!FSEntry=TerrainPSMain
 6 //!FSProfile=ps_3_0
 7 
 8 #include "inc/light.hlsl"
 9 #include "inc/common.hlsl"
10 #include "inc/terrain_common.hlsl"
11 
12 
13 void TerrainVSMain(    
14     float2 hpos        : POSITION0,
15     float2 vpos        : POSITION1,
16     float4 normal    : NORMAL0,        //ubyte4-n normal
17 
18     uniform float4x4 wvp_matrix : WORLD_VIEWPROJ_MATRIX,
19     uniform float4 world_translate : WORLD_POSITION,
20     uniform float4 scaleFactor : _SHADER_,        //per shader custom variable: scale
21     uniform float4 UVInfo : _SHADER_,            //per shader custom variable: uv information
22     
23     out    float4 outPos : POSITION,
24     out    float4 outUV  : TEXCOORD0,
25     out float4 outBlendUV : TEXCOORD1,
26     out float3 outWorldPos : TEXCOORD2,
27     out float3 outWorldNormal : TEXCOORD3
28     )
29 {
30     float4 pos = float4(hpos.x, getMorphHeight(vpos, hpos+world_translate.xz, eye_position.xz), hpos.y, 1);
31     pos = pos*scaleFactor;
32 
33     float blendOffset = UVInfo[0];
34     float tileSize = UVInfo[1];
35     float blockSize = UVInfo[2];
36     float blockUVMultiple = UVInfo[3];
37 
38     //normalUV
39     outUV.xy = pos.xz*(tileSize-1)/(tileSize*tileSize) + 0.5/tileSize;
40     //block repeat UV
41     outUV.zw = pos.xz*blockUVMultiple/blockSize;
42     //blendUV
43     outBlendUV.xy = pos.xz*(tileSize-1)/(tileSize*tileSize) + blendOffset/tileSize;
44     outBlendUV.zw = pos.xz/tileSize;
45 
46     //use local normal as world normal, because our terrain has no rotations
47     outWorldNormal = expand_vector(normal).xyz;    //ubytes4 normal ranges 0-1, need convert to [-1,1]
48     
49     //don't use full transform because our terrain has no scale/rotation
50     outWorldPos = pos.xyz+world_translate.xyz;
51 
52     outPos = mul(pos, wvp_matrix);
53 }

    关于shader变量, WORLD_VIEWPORJ_MATRIX是blade的FX framework内置的变量, 而"_SHADER_"这个semantic, 仅仅是表示这个变量是模块自定义的shader变量, framework没有内置, 用户模块(如例子中的地形模块)需要根据变量名字, 直接设置/更新该变量. 至少需要设置一次, 如果没有变化, 就不需要再更新它的值. 这个变量的CPU数据是由material/FX framework 自动根据变量类型分配的内存, 保留在shader/instance/global shader constant table里面.

    后面有空了做ETC2/EAC的纹理压缩. 目前移植相对来说工作量不大, 可能适配和优化会花时间. 主要还是平台无关的core feature都不完善, 以后会集中做这些, 否则移植了意义也不是很大. 只要core feature和游戏代码有了, 即使出了新平台应该也能很快适配. 当然游戏的工程量跟引擎不是一个数量级, 希望以后有机会可以跟人合作.

    GLES 3.0  有了UBO, 这也是一个优化点. 不过我觉得UBO的接口不暴露出来比较好, 而是放在IRenderDevice的implementation里面, 这样对于没有constant buffer的API来说, 可以不用关心其接口.

    当然也可以抽象出接口, 对于不支持的API(比如Direct3D9),可以用某些方法模拟, 之前提到过Ogre的数组缓冲方式, 最后一次性提交.

    这个特性先放一放, 以后实现DX11/DX12的时候, 可以综合对照一下, 看看接口如何抽象最好.
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