延迟渲染 (或延迟着色/延迟光照)

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延迟着色 是一种在顶点与像素着色器完成操作后进行的屏幕空间的着色技术。顾名思义“延迟”，即将着色计算延迟到 geometry pass 之后的第二个 lighting pass。

延迟光照 (也被称作 Light Prepass) 是延迟着色的一个变体，与传统延迟渲染的 2 个 pass 不同的是，延迟光照的管线有 3 个 pass。延迟光照的管线里只有光照的着色是被延迟的，而整个着色操作本身并未被延迟。

延迟渲染使得高性能大量光源渲染得以可能。

不过，延迟光照要比延迟着色的要求更高，因为它创建了一个多的 pass。但是延迟光照只有光照着色信息会在最后的 pass 得到处理，所以它的内存开销比延迟着色低，并且延迟光照管线对半透明以及 MSAA 的支持也更好。

尽管如此, 这和起源 起源默认的辐射度（ radiosity ）光照（静态的）有巨大的不同(它用的是 前向渲染)。延迟渲染使用大量的 lighting pass 生成更高质量的光照，并且伴随实时阴影。

起源2 起源2 的游戏也通常使用前向渲染管线, 例如 半衰期：爱莉克斯 半衰期：爱莉克斯, 但如 Dota 2 Dota 2 和 Deadlock Deadlock 则使用了延迟渲染。

与原版光照的区别

当编译 Valve Valve's 游戏的地图时, 每张地图必须通过 VRAD (它花费大量时间，视硬件性能和 optimizations 参数而定), VRAD 使用所有光源有关的数据并将最终光照结果覆写到 光照贴图上， 即使 VRAD 能提供高质量且多种形状的光照，然而它是完全静态的，只能提供 stationary 的光照切换，而不能提供实时变化的光照。radiosity和延迟管线的区别就在于延迟管线实时计算所有光照，并且开销低。游戏使用物体的法线、几何、Albedo 以及高光反射的信息（都来自 G-Buffer）来实时生成高质量光照。

前向管线的动态光照

前向渲染性能在过多动态光源实体（可投射阴影的 env_projectedtexture，本质上是手电筒阴影，从起源2007开始就有）。 别的类型的动态光源，例如light_dynamic，当光照贴图的分辨率很高或是光源有自己的 custom appearance 时，也会降低性能表现。另外, env_projectedtexture 也被起源 本身的默认配置所限制，也就是只有 1 个env_projectedtexture实体时才能正常工作，除非对引擎进行大幅改动。

延迟光照 (以及延迟着色) 就没有以上的问题或限制，它支持很多光照，并且性能远高于前向管道。不过，也有很多别的渲染管线，例如"Forward+/Tile-Based Forward" 或 Clustered Forward ，也可以使多动态光源渲染的性能与传统方法相比大幅降低。(例如 传送门 2：社区特供版 传送门 2：社区特供版 ，它是目前唯一一个使用 Clustered Forward 管线的起源游戏；并且还有 Operation: Black Mesa Operation: Black Mesa 正在逐步实现这个技术)。

特性

  • 高性能实时阴影和多光源渲染。
  • 支持近乎无限个动态光源 (而 Source 默认只支持 1 个 env_projectedtexture)。
  • 高保真的圣光（ godrays）。
  • 体渲染（Volumetric lighting）。
  • Light cookies (预先设定的实时阴影图形状)。

缺点

  • 传统的 MSAA抗锯齿一般不会在延迟渲染管线内启用，因为它会造成极大的性能损失，由于对整个 G-Buffer 进行多重采样。例如在 Apex Legends Apex Legends 以及 黑山 黑山 里你将看不到 MSAA 的画质选项。 (黑山 黑山 将 MSAA 替换成了 FXAA，由于 MSAA 还产生了图形错误),[1] 需要再次注意的是，延迟管线的 MSAA 并不是不能用，只是不建议用。例如在异形丛生 延迟 和 Lambda Wars 仍然可以启用 MSAA，但仍然建议使用后处理的抗锯齿（例如 FXAA,SMAA,TAA,FSR,DLSS 之类）而非着色阶段采样的抗锯齿（例如 MSAA,SSAA）,这样会在延迟渲染管线内获得更好的效果以及最佳的性能。延迟管线的 MSAA 比前向管线实现的性能要求高得多，并且也更难实现。
  • 所有烘焙光照将不可用。 (仅存在于 异形丛生 延迟 之中)
  • 对旧式硬件的影响更大，由于延迟管线的内存带宽的要求高。不过，我们可以使用 Tile-Based 的延迟管道来减缓内存带宽带来的瓶颈。
  • 只支持 DirectX 9（SM3）或更新的图形 API, 不支持更旧的 DirectX 兼容版本。

示例

Deferred phong ref.png

应用

Source

只有少数 起源引擎 游戏使用了延迟渲染技术, 因为它很难实现。以下是应用了该技术的游戏列表：

延迟着色

延迟光照

Source 2

延迟着色

教程

也见

Entities

延迟渲染科普

译者注

  • 我们通常不对延迟着色 / 延迟光照作过于严格的区分，一般都统称延迟渲染。
  • 延迟渲染只能和前向渲染这类东西并列起来，而不能像原文一样和 Radiosity 静态光照并列，俩不在一个维度上。原文作者的意图应该是强调在起源开发圈内，该技术实现了全动态光照。
  • 在延迟渲染内实现静态光照是完全可以的，而非一定是原文所说的“不可用”。在一些成熟的商业化游戏引擎内，我们可以看到在延迟渲染内实现静态烘焙光照的实例（例如 Unreal Engine 的 Lightmass）。

参考文献

Collapse参考文献
1. Xen Technical Beta and Screenshot by [TC]Ciaиєz ITA:

Known Issues - Haloing Around Props/Object
MSAA is causing outlines around certain objects. MSSA is a performance killer and we hope to have a better solution for anti-aliasing with the Xen release. To remove the haloing/outline, simply turn off MSAA.   Retrieved May 10, 2024.

2. Several commands related to deferred rendering such as r_deferred_ can be seen in Dota 2. Additionally, enabling MSAA via console commands in the original (Source 1) release of Dota 2 will breaks the renderer. Since April 27, 2012, it is confirmed that Dota 2 uses deferred shading, and use FXAA (referred as Screen-space Anti-aliasing when the Dota 2 page on VDC was edited in 2012).
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