转帖 主机游戏技术普及2

PS Vita屏幕的分辨率是544p，PSP游戏的分辨率是272p，长宽都是两倍，像素的数量是四倍。大家可以想象一下，vita屏幕上每个2X2的色块，都会对应psp游戏的一个像素，对不对？
如何决定这些2X2的色块的颜色值呢？我们需要一种插值方法。
假如我们不勾选双重线性过滤，那vita就会进行Nearest-neighbor interpolation。
在这个情况下，每个2X2的色块（含四个像素），它们最邻近的像素就是那个对应的psp游戏的像素。因为是选取最邻近像素的颜色，所以屏幕上每个2X2的色块都是同一个颜色。
打个直观的比喻，就好像是一个像素生出了好几个相同的像素。这就是最邻近方法的核心思想。
假如我们勾选了双重线性过滤，那vita就会进行更多的计算了。
这时候，针对vita屏幕上的每个像素，GPU会去找离它最近的四个psp游戏的像素。有了这四个像素之后，再分别根据自己与它们之间的距离，做加权平均值（Weighted average）。距离越近，权重就越大。
简单的说，每一个新像素都会受到几个旧像素的染色，最后会出现一个比较平滑过渡的结果。

以上就是过滤（filtering）最基本的思想。无论是单纯的把小图像放大，还是应用到纹理上，大致都是这样一个思路。
最后提一下，双重线性过滤在视频播放器和模拟器中应用的很多，它是把分辨率低的图像放大的常用方法。
关心更多细节的玩家，可以参考这篇：https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/bb172357(v=vs.85).aspxus/library/windows/desktop/bb172357%28v=vs.85%29.aspx
好，今天的内容就结束啦~
最开始我们提到过，N64的GPU支持三重线性纹理过滤（Trilinear texture filtering）。那么，三重是什么？纹理过滤又有什么不一样呢？大家明天见！

第二天 Mipmap和三重线性纹理过滤（Trilinear texture filtering）
我们先来回答昨天留下的一个问题：纹理过滤和普通的过滤技术有什么不同？
答案是，纹理过滤要牵涉到Mipmap。
于是，我们便遇到了第一个我查不到中文翻译的词汇：Mipmap。
Mipmap可以作为名词，于是就有了复数形式Mipmaps。它也可以作为动词，应用到Mipmap的技术，就被我们叫做Mipmapping。
下图中的纹理（Texture）就有Mipmap:

纹理里面有很多相同的人造卫星，但是它们的太小都不同。我们称做不同的细节程度（Level of detail）。
那么，我们为什么要存这么多个相同的图案呢？难道不浪费空间吗？
其实，它确实很占用空间！不过，它也非常有用，因此被使用的非常广泛。
当物体很远的时候，或者只是侧面面对镜头的时候，这个物体在屏幕上将会占用非常少的像素。这时候，如果我们使用分辨率很高的纹理，效果肯定是不理想的。
有了Mipmap技术之后，显卡就有挑选的余地了。我们可以告诉显卡，在什么情况下使用什么的细节程度，显卡就可以挑选合适大小的纹理了。
如果大家玩基于虚幻引擎3的游戏比较多的话，肯定能注意到一个现象。有时候，最开始纹理是模糊的，然后慢慢变得细致。
最开始的那个纹理，就是最低细节度的Mipmap。这是虚幻3减少游戏读取时间的方法。
在了解了Mipmap之后，我们再来想象一下这样的情形：
当镜头离物体忽远忽近的时候，纹理的细节度会发生什么呢？
分辨率高的Mipmap和分辨率低的Mipmap会来回的切换。
我们把这种现象叫做Texture Popping。要拿最近的游戏来说，这个现象在ID software的狂怒（Rage）里面就很常见。应该是Mipmap的控制没有做到最好的原因。
为了解决这个问题，一个早期的解决方案就诞生了！那就是三重线性纹理过滤（Trilinear texture filtering）.
顾名思义，这个东西是在双重线性纹理过滤的基础上，加了一层计算。
它会在两个临近细节度的Mipmap中，取一个中间值。这样一来，纹理的细节度就不会突然变化了，而是会缓慢的过渡。
相比较最邻近像素的插值方法，Mipmap+三重线性纹理过滤可以很好的解决纹理马赛克的问题。但是也有两个缺点：
1.纹理的体积会膨胀。
2.纹理会变得模糊，失去锐利度（Sharpness）。
尤其是第二个问题，我个人是非常讨厌的。
在火箭鸟2的开发过程中，我们使用了4K乘以4K的高清晰纹理。这个分辨率应付1080P的游戏绰绰有余了~
可是，由于Mipmap的存在，导致纹理有些模糊，从而失去了很多细节。后来我只好禁用了一部分Mipmap，这样整体图像的细节丰富程度才比较让人满意。
Mipmap本身也不是那么容易控制的，就连id software也不能完全杜绝Texture Popping这种现象。
今天的内容就结束了。大家复习一下，三重线性纹理过滤是怎么工作的？
大家明天见！

第五天 抗锯齿基础
这两天一直生病请假，跟大家说一声对不起。
在介绍吴小林之前，我们先来看一下，游戏画面为什么会产生锯齿（Jaggies）。
锯齿这个词非常有意思，英文原文通常叫做Jaggies。大家能猜出这词的单数形式吗？
答案是，一般不用单数形式。
这词的词源是Jagged，形容锯齿状。名词形式Jaggies，直到视频游戏流行之后才出现。可以说是美国人活用（或者说是乱用）英文单词的典型例子了。
产生锯齿的现象，还有一种比较学术的说法，叫做Aliasing。这是抗锯齿（Anti-aliasing）一词的词源。
锯齿出现的根本原因是：游戏的分辨率不够。
大家看下面的图片就明白了。

大家想象一下，如果显示设备和游戏的分辨率是4K、8K、甚至16K，上面的直线就不需要任何抗锯齿技术了，肉眼完全看不到边缘。
如果分辨率是有限的，就必须进行昨天（其实是五天前了。。。）讲解的栅格化。如果不使用任何硬件或者软件的抗锯齿（Anti-aliasing）技术，锯齿的产生就不可避免了。
上图的画直线的算法叫做Bresenham's line algorithm，是效率最高的画直线的方法，也是大多数显卡的默认显示方法。
下面介绍一种早期的抗锯齿技术，叫做吴小林直线算法（Xiaolin Wu's line algorithm）。
这个算法的运行效率也非常高。当然，速度肯定不如上面的那个算法。
它的基本思想也很简单，大家看图就知道了：

直线所通过的像素都会着色，但是颜色则不是纯色，而是取决于跟直接的距离，距离越远颜色就越淡。离远了看，可以达到边缘柔化的效果。
吴小林直线算法也有一些局限性，它也不能控制反锯齿的程度。
N64的显卡，从硬件层面上支持吴小林直线算法，因此N64游戏的抗锯齿是很普遍的事情。
到了今天，这种抗锯齿技术已经不是主流了。PC上普遍使用的是多重取样的MSAA，而在PS360世代的主机游戏的研发中，很多依赖post effects的抗锯齿算法被创造出来了。这些都是后话了。
今天的话题就说到这里，大家明天见！

第七天 高速缓存（Cache）
高速缓存有很多种，我们今天讲的是其中的一种，叫做Cache。
这里我不得不提一件往事，是关于当年我毕业之后的第一份工作。
有一天我跟我前老板聊天，我说我必须要利用什么什么Cache的机制，那货很生气的说：什么？你是在找我要现金吗？
这个故事告诉我们两个道理：
1. 满脑子是钱的老板，以及完全不懂技术的老板，绝对是个灾难！
2. Cache和Cash同音。
Cache就是附属于CPU或者GPU的高速缓存。它是处理器性能的关键因素之一。
它存在的意义很简单：处理器访问Cache的延迟，比起处理器访问内存的延迟，要小很多倍。如果数据是装在Cache里面的，那么处理器拿到数据的速度就能提升很多倍。
很多人就要问了：那如果数据不在Cache里面怎么办呢？
因为Cache协议的种类实在是非常多，我在这里挑一种最普遍的情况来举例说明。
我们假设一个最初始的情况：数据全部在内存里，Cache是空的。
这时候，CPU需要拿一个字节的数据来计算一个东西，于是它就向Cache申请访问了。
Cache会告诉CPU：我这里没有这个数据。这种情况叫做Cache Miss。
于是CPU只好向内存申请访问了。慢就慢点吧，咱也没办法啊。
最后内存告诉CPU：我有这个数据。于是内存会给CPU这一个字节的数据。
注意，重点来了：与此同时，内存还会把邻近的一排数据都放到Cache里面存起来。
Cache里面的每一排数据，叫做一个Cache Line。一个Cache Line的大小通常是几个KB。
因此，我们还知道了一个结论：在Cache Miss的情况下，读取一个数据需要耗费双倍的内存带宽。
接下来，CPU又想拿同一个数据来计算了，于是它又向Cache申请。
这回Cache里面有这个数据了，所以CPU可以以非常小的延迟拿到这个数据，同时不消耗任何带宽。
这种情况叫做Cache Hit，命中了！
然后，CPU想拿下一个数据来计算了，于是它再一次向Cache申请。
我们上面已经学过，Cache一次性会拿一整排的数据，所以邻近的数据都是在Cache里面的。又是一个Cache Hit！
所以说，Cache对处理器性能的提速是建立在两个事实之上的：
1. 处理器的运算能力远远超过内存的读写速度。
2. 处理器经常拿重复或者邻近的数据。这种特性叫做局域行为（Locality）。
游戏任务更是如此，所以Cache对游戏性能的提升是非常重要的。
Cache的成本非常高，所以它们通常都很小。
在现代的处理器中，我们通常会设置多级缓存，即一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache）。
L1 Cache的速度最快，但是非常小；L2 Cache的速度慢一点，容量也可以大一些。
Cache还可以进一步分类成I-Cache和D-Cache。
I-Cache专门用来装机器码指令，即Instruction Cache。D-Cache则是专门用来装数据，即D-Cache。
有了上面的知识，我们就可以来看看N64了。
N64用来装纹理的Cache只有4K，可想而知，它是装不了任何清晰的纹理的。
因此，GPU在读取大纹理的时候，会出现大量的Cache Miss。我们上面说过，Cache Miss的成本非常高，会消耗两倍的带宽，也利用不到Cache的低延迟。
很多N64游戏不得不牺牲纹理的大小，导致贴图模糊。
这就是N64另一个硬件设计上的败笔。
以上就是Cache大致的工作原理。有兴趣的玩家可以继续读下面的内容。
上面说的都是CPU读取数据的情况，那么Cache是怎么帮助写入数据的呢？
同理，我还是拿最常见的写入协议来讲解，这个协议叫做Write-Back。
当CPU写入数据的时候，如果数据不在Cache里面，会先申请读取一个Cache Line。
然后，CPU只写入Cache，真正内存里的内容不会更新，直到那个数据被读取为止。
这样就可以避免CPU反复写入内存的情况了。
我们也因此知道，在Write-Back协议下，即便是写入内存，也是会有读取内存的操作来占用带宽的。
这个协议比较适合CPU的读写和计算，因为Cache Locality非常普遍。
而GPU方面更普遍的写入情况就是大块内存的写入（Framebuffer之类的），这时候Write-Combining协议的效率就更高了。WC是会无视Cache而进行内存写入的。
根据这篇论文的结论，WC的速度是WB的1倍至10倍不等：
http://download.intel.com/design/pentiumii/applnots/24442201.pdf
今天的引申内容比较难，大家不要勉强。明天见！

第八天 高氏着色
高氏着色并不复杂，但是要理解它，就必须理解我们之前讲解过的很多概念。所以，今天也是一个很好的复习机会。
接着昨天的话题：因为Cache的限制，导致N64不能高效的处理高分辨率的纹理。所以N64游戏的材质往往看起来比较模糊。
但是，也有一些游戏就没有这个情况，比如下图中的马尿64：

图像的锐利度并不低，这是怎么做到的呢？
因为根本没有用到纹理！
希望大家还记得我们以前讲过的一个东西：插值方法。
当有纹理的时候，N64的硬件支持三重线性纹理过滤。那么，没有纹理的时候怎么办呢？
N64还支持另一种插值方法：高氏着色（Gouraud shading）。上面图片里面的大多数像素都是用高氏着色的。
接着还需要大家复习一下光照的基础：要想进行光照的处理，我们必须要有每个三角形顶点的法线数据，以及光线的方向。
有了以上的数据，我们就可以计算出每个顶点的光照强度了。
如果有纹理，像素的颜色就是在纹理颜色乘以光照的强度。因为高氏着色没有纹理，所以只需要指定一个单色，再乘以光照的强度。
接下来，高氏着色是怎么决定顶点之间的线和线和线之间像素的颜色值的呢？
答案很简单：就是线性插值。
大家再次复习一下，线性插值的基本概念。
应用在这里的线性插值，就是指一个像素会同时受到周围顶点的染色，染色的程度是跟距离相关的。
最后出来的结果就是平滑的颜色过渡了。

前两天讲的内容相对比较难，今天正好有机会调整一下节奏。
我可是非常认真的在安排内容和顺序，如果觉得哪里卡住了，我就强烈推荐大家借这个机会复习一下相关内容。
当然，如果以前都有认真读，今天的内容就真的是超简单的了！
距离我们的SS vs PS vs N64大对决已经不远了，大家明天见！
最后再来张图:D

第九天 微程序
今天的中国生活在一个“微”时代。微博、微信，就连抄袭也改头换面立牌坊，叫做“微创新”。
这就是所谓的物是人非。小时候我们把电脑叫“微机”（微型计算机），于是也有了微机课和微机房。那时候，同样是一个“微”字，却代表了超大规模集成电路的技术进步：我们终于可以把计算机缩小到可以放上桌子了。
就像当我小学四年级开始在APPLE-II型电脑上玩LOGO语言并开始接触汇编的时候，我怎么也想不到，今天的苹果会制造出那种数码泡沫产业。不以科技推动和人类真实需求出发的产业，自然是泡沫产业，也自然有消失的那一天。
我们今天讲的微程序（Micro-code）也代表着技术的进步，以及一种新思维。
N64可以使用微程序对GPU进行编程。可惜它非常难用，跟统一内存架构一样，是一次失败的尝试。
微程序后来被PS2和GameCube所继承，并获得了很大的成功。直到Xbox出现之后 ，才被Shader取代。
不得不说的是，PS3的CELL处理器里面的协处理器（SPU），可以说是微程序思维的多线程版本，并且跟Shader同时存在于PS3中。最后，它也即将退出主机游戏的历史舞台。
那么，微程序到底能用来做什么呢？
首先，我们需要提一下N64的GPU的细节。
N64的图像处理器和音频处理器是在一起的，它叫做Reality Co-Processor。（因此，音频可能会影响图像性能，这也是N64另一个设计上的问题。）
然后，我们来复习一下，GPU所做的工作是什么？
它取得所有的顶点，将它们转换，以便显示在屏幕上，然后进行栅格化，变成像素，再进行插值运算，决定每个像素的颜色值。
我们之前也说过，GPU的这整套流程分成顶点处理和像素处理两部分。它们的分界线是栅格化。
于是我们可以发现，整个顶点处理和像素处理的方式，都是比较固定的。
顶点处理就是进行坐标系的变换；像素处理也是固定的，只是有一些有限的选择：你可以选择做三重线性纹理过滤，或者进行高氏着色等等。
如果你想有更多的控制和更复杂的特效，GPU就必须支持编程（Programmable）。
我们今天要讲的微程序（Micro-code）就是在N64、PS2、Gamecube等主机中使用的，一种比较早期的，同时也是比较复杂的GPU编程方式。
N64的GPU默认运行的微程序是任天堂事先编写好的，它做的任务就是我们上面所说的固定的顶点处理和像素处理。
游戏开发者也可以自己编写一套不同的微程序，这样就可以做到与众不同的效果或者优化了。
举例来说。。。前几天我们说过，因为纹理Cache和统一内存架构的原因，N64的像素填充率会受到很大的限制。
解决这个问题的方式之一，就是使用微程序来替换掉原有的Mipmap和深度缓冲机制。
纹理的格式可以自定义，让它们尽量占用最小的空间。
深度缓冲也不是所有场合都需要的，有选择性的使用它可以提高像素填充的速度。
N64可以做到这种比较底层、也非常困难的技巧，这也是Rare等厂商发挥N64机能的不二法门。
细心的玩家肯定已经发现了：这种方式是不是跟顽皮狗发掘PS3的机能很类似？
没错！但问题是任天堂提供的工具非常难用，很多人甚至怀疑任天堂的动机，是不是不想让第三方掌握这种技术。
因此，可以比较好利用N64机能的游戏非常少，其中最重要的原因之一就在这里。
好了，现在我们应该把很多基础的概念讲解的很清楚了。明天我们会对SS、PS和N64的机能做一个总结和比较，也会迎来本文第二期的结束。
大家明天见！

转载自A9VG论坛，游戏开发者o_sharp《主机游戏技术普及》系列，第二期原帖地址：http://bbs.a9vg.com/thread-3554871-1-3.html

终于有第二期了

有些地方还是说的抽象了点，不过是好文
LZ多转一些这样的好帖，吧里好帖太少

好贴顶

好帖 涨姿势了