基于物理的渲染(PBR)在移動類GPU中變得越來越盛行。在本文中，我將簡要闡述PBR的概念和優缺點，并就如何使用PBR和延遲渲染在PowerVR GPU上運行提供相關建議。我還將展示如何在我們最新發布的OpenGL ES演示產品Dwarf Hall上使用PBR。

基于物理的渲染沒有精確的定義，它是一套可以遵循的準則，即在場景中如何以更科學直觀的方式完成渲染。鏡面光便是很好的例子。在PBR出現之前，許多圖形應用程序使用特定輸入如亮度值等作為材料參數。這個值的范圍可以從0開始到無窮大。我們需要從藝術的視角來審視不同的值，以確定哪個值呈現的效果最佳。

這種方式不太直觀，且會產生不同等級的品質。它還可能產生物理上不可能實現的結果，即輸出的光比輸入的光更多。且有了PBR渲染，藝術家和程序員可以更好地理解材料的輸入值。

基于圖像的照明

場景中的鏡面貢獻是一個重要的因素。一個點在空間場景中的鏡面貢獻（輻照度）是使用立方體貼圖來存儲的。可以使用離線渲染器來創建這些立方體貼圖。當應用程序運行期間需要對表面進行著色時，僅僅需要查看立方體貼圖的方位。

在我們的演示中，使用射線跟蹤器從演示空間的多個點中創建立方體貼圖。也使用立方體貼圖的MIP圖像來表示粗糙表面模糊及光滑的效果 (預過濾的輻照環境圖)。Sébastien Lagarde在他的博客中對這種方法進行過闡述。

空間中某個點的輻照度編碼過程被稱為基于圖像的照明，其通常與PBR相結合。我們還在后期處理效果中使用HDR來編碼這些輻照度值，并使用工具以高效的PVRTC格式進行存儲。

材料系統

PBR系統的輸入通常有幾個參數。將以下參數輸入演示：

?反照率顏色

?粗糙度(或平滑度)

?高光顏色

?切法線

這些輸入足以在PBR著色中生成畫質美觀的效果，且對于藝術家和程序員而言，生成的效果圖都直觀易懂。

Gamma

3D渲染的一大難點就是伽馬。有兩種主要的空間色彩：伽馬空間或線性空間。多數監視器或輸出設備均預計了伽馬空間的輸入。這里要注意的是粘合和錯誤的伽馬補償。

從高精度到低精度進行量子化并隨后對結果進行更多的計算時，會發生綁定。在這種情況下，我們要在保持高精度計算的同時進行補償，并盡可能晚地進行量化，以避免出現粘合。

輸入紋理是容易發生錯誤伽馬補償的主要區域。在對紋理進行取樣時，需要了解紋理存儲在哪個顏色空間并應用正確的伽馬補償。紋理過濾同樣需要考慮伽馬。在處理有效的PVRTC編碼紋理時，可以使用擴展文件EXT_pvrtc_sRGB。

延遲渲染

若希望在演示中有很多移動光的效果，則可以使用延遲渲染實現這一目標。在PBR渲染中進行同樣的輸入，并在G緩沖區進行如下布局：

RGB光積聚

F32深度

RGB切線法線

0 - 1粗糙度

RGB反照率

RGB高光顏色

0 - 1 Metallicness

Metallicness VS鏡面

如果假設所有的金屬都有相同的鏡面顏色且所有的電介質使用相同的漫射顏色，那么為縮小G緩沖區的大小而減少輸入數量是有可能的。這意味著材料的反射率顏色和高光顏色可以被存儲在相同的圖像中。這就是我們使用的“Metalicness”工作流，如下所示：

這是最后的G緩沖區布局，如下所示：

rgb10a2：光積聚

r32f：深度

rgba8：法線和粗糙度

rgba8：(反射率或反射)& metallicness

這非常符合PowerVR Series6目標設備中每像素可用的128位片上存儲。(注意，256位在Series6XT及其后的GPU中可用)。

后期處理

由于具有HDR格式的光積聚信息，因此繪制至后臺緩沖之前可以采用許多不同的后期處理效果。在演示中我們使用了：開花、色調映射、眩光和電影顆粒效果。許多基于物理的渲染都使用后期處理對圖像進行最后的藝術美化。

有效性

在傳統的延遲渲染系統中，GPU會從主內存中讀取G緩沖區信息，并隨后將光積聚寫入另一個主內存的渲染目標中。這非常適用于有很多可用功率且大型的快速專用又耗能的DDR RAM。

不過對于功率受限的設備，這存在一個問題。問題在于移動設備可能只訪問較慢的系統內存。所以我們要盡可能避免使用內存帶寬。

由于要在區塊貼圖中操作，PowerVR GPU有少量的專用快速本地內存。每像素128位或256位都是可行的，這取決于硬件本身。合理利用可以避免在延遲渲染中使用內存帶寬?？墒褂靡恍┫嚓P的擴展，如下所示：

幀緩沖區提取

幀緩沖區提取擴展允許我們重新讀取先前著色器中編寫的片段值。當在貼圖內同時處理著色器和三角形時這種情況較常發生。所以這些對本地內存的寫入和讀取比使用系統內存要快得多。

像素本地存儲(PLS)

像素本地存儲擴展與之前的幀緩沖區擴展相似，但其允許以中間變量格式存儲在本地內存。這樣便可以減少格式轉換的工作。演示中使用了以下設計：

layout(rgb10a2) highp vec4 lightAccumulationpadding;
layout(r32f) highp float depth;
layout(rgba8) highp vec4 normalsroughness;
layout(rgba8) highp vec4 albedoOrReflectancemetallicness;

像素本地存儲2

PLS2允許我們寫入后臺緩沖區而不是中間緩沖區。這意味著我們不需要對系統內存中的中間渲染目標進行渲染便可以位塊傳輸至后臺緩沖區。我們還可以直接寫入后臺緩沖區，這可以避免使用更多的內存帶寬。

實驗結果

使用PVRTune工具的演示分析表明，優化渲染器(幀緩沖區提取和PLS)可以執行更少的渲染任務。

這表明G緩沖區的生成、照明和色調映射階段可以合并到一個任務中。這也明確顯示，芯片和主存之間的帶寬使用明顯降低：讀取降低了53%，編寫降低了54%。

所有這些優化都會略微降低幀時間，但卻可大大降低功耗，如下所示。這意味著移動設備的電池使用壽命將大為延長。

Future work 未來的工作

Vulkan

Vulkan允許顯式地指定加載和存儲操作。使用Vulkan和OpenGL ES運行 Gnome Horde 演示時，CPU使用效果較佳。這是移動設備的福音——更少的CPU使用率意味著更低的功耗，而功耗降低也意味著電池的使用壽命更長且產品功能更豐富。在后續的文章中，我將結合PLS和Vulkan進行闡述。

射線跟蹤

基于圖像的照明是一種近似。如果光線需要在場景中移動，則不可以對場景進行離線渲染。再次計算將會極耗成本。如果使用射線跟蹤生成這些IBL試樣，動態IBL成本則只有使用光柵化進行再次計算成本的幾分之一。

可以想象Vulkan的CPU成本之低，使用射線追蹤的高效PowerVR GPU可以實現完全動態的光照和陰影效果!