古剑3所用vision engine和渲染分析
本帖最后由 GuardHei 于 2020-10-22 15:15 编辑前段时间看轩辕剑7的试玩demo，虽说用了虚幻4，但是画面还是很拉胯（当然，也有可圈可点之处，比如主要角色人物面部模型和贴图精度还是蛮高的）。整体画面观感甚至完全比不过18年末出的古剑三。我是今年年初通的古剑3，个人认为是今年最出乎我意料的游戏（毕竟很多年不玩国单了）。正好又看到古剑开发团队人员离职的消息，感觉着实挺可惜的。所以我准备来科普下古剑3的图形技术水平，以及他们对vision engine做了哪些改进。部分资料来源于百度百科，因为我发现，百度百科上面关于ve的信息竟然比谷歌搜到的还全。其他的主要靠肉眼看和renderdoc抓帧。
这篇文章花了我不少时间，写的可能有些长和细碎了，如果只想看结论的话，可以直接跳到最后一段。
根据公布信息来看烛龙是在古剑2的时候用的vision engine，然后又用于古剑ol和古剑3。vision engine本身比较出名的作品大概有兽人必须死1，2，哥特王朝4，还有现代战争：尖峰对决（没想到吧），以及最新的几部要塞（包括马上要出的warlords）。引擎本身在13年之后就没什么更新的感觉，最新版本也滞留在那个时间，实际上很多资料已经archive了，外网找不到多少。最大的问题就是本时代主机只支持一个wiiu，ps4和x1都不支持，可能是在被havok收购后放弃了吧。所以虽然还有一些游戏在用，但是本身的很多功能都显著落后了，比如pc端最高只支持dx11，导致很多dx12特性没法用。
在这种情况下，古剑3达到这个画面质量被很多人称作"魔改"了vision engine，那么烛龙到底改到了什么程度吗？
---- 其实改的没有那么多
基于来自百度百科的资料和ytb上发的几个视频demo，vision engine截止13年本身就包括了视差贴图，bent normal（考虑法线贴图的光照烘培），方差阴影（vsm）和级联阴影（csm），自动实例化（instancing），屏幕空间环境光遮蔽，2d体积光这特性。引擎也能同时支持前向和延迟渲染管线。最令我的惊讶的是，ve对大地图处理也是一把好手，支持资源流加载，打洞地形，和室内场景无缝集成，以及常见的遮挡剔除技术，包括gpu硬件遮挡查询，portal剔除，以及四叉树或八叉树的剔除。这么考虑的话，古剑ol这种mmo选用ve倒是算切对了方向，也顺便解释了为什么古剑3很多地方明明是线性流程，但并没用大量使用预烘培光照技术，导致部分地方还有优化空间。实际上，当我在ytb看哥特王朝4最高画质视频的时候，能很容易找到渲染的相似之处，比如大规模草和植被的渲染，建筑（主要是屋子）的渲染，人脸鼻梁处的高光，所以古剑3本身并没有对ve做了什么特别大的改动。
那么古剑3总体的图形技术是什么样的呢。
1. 首先，图形api是强制dx11，如果gpu不兼容dx11的话游戏是启动不了的。但是本身游戏并没有用很多dx11的特性，主要用的是就是compute shader。后处理走的也是画个全屏三角形的方法，没要考虑用cs。
2. 整体渲染管线是 tile based deferred rendering，即分块延迟渲染。传统的延迟渲染是分别画每个灯光到屏幕上去，计算像素的光照效果。这个方法的好处在于，可以精确的剔除不需要计算光照的像素的。缺点在于由于每个光源都要画一次，光源多的话cpu端的开销会比较大。在实际应用中，除了光源需要剔除，往往反射探头（一种较为廉价且不正确的反射模拟）也需要做剔除，更加大了cpu端的压力。古剑3用的tbdr技术也是在13、14年流行起来的，简单来说就是将屏幕分成很多个小格子，粗略计算每个格子收到哪些光源影响，也就是说是一个更粗粒度的光源剔除方法。虽然gpu端的开销增加了一些（但是现在gpu性能的增加速度明显远高于cpu端的速度），但是cpu的开销显著减少了。实际上反射探头也可以用这个方法去剔除，但是古剑3并没有这么做，而是只用了一个反射探头来降低开销。我并不知道原版的vision engine有没有这个功能，但从我renderdoc抓帧的信息来看，整个管线用到dx11特性的，就是tbdr时做了4个compute dispatch，其他什么indirect draw也没用，或者各种特效也全是像素着色器里算的，所以我怀疑这个是烛龙自己添加上去的，估计是对引擎最大的改动了。另外，延迟渲染不透明物体，半透明物体走前向渲染，不写入深度，常规操作。gbuffer没怎么压，一共5张：albdeo，world space normal，emissive，specular+roughness，depth。color buffer是32bit float hdr，但是整体颜色范围倒不怎么hdr，感觉浪费了带宽了。另外，在接近后处理的阶段，又额外生成了velocity map，也都是常规做法。
3. 平行光阴影就是常规的级联阴影的做法（Cascaded Shadowmap），一共分了4级。值得注意的是最后两级的CSM不是每帧更新的，所以远距离动态阴影是一卡一卡的。每级之间没有过度，软阴影就是pcf滤波，都常规操作。同时类似Unity，先根据depth获得每个像素的遮蔽情况的Screen Space Shadowmap，再并入光照计算。我是没太搞懂为什么这么做，毕竟都延迟渲染了，阴影的overdraw不应该是个问题。另外有意思的是，根据renderdoc显示的情况，第一级的shadowmap在每帧一开始就画了，但是后面三级则是在gbuffer画完之后才画的。我猜是为了先利用这个shadowmap去做raymarch体积光，但是由于并没有使用async compute管线，我高度怀疑这玩意儿没什么卵用。另外，古剑3虽然是个线性游戏，但是没有使用任何预烘焙的阴影技术，无论是烘死光照贴图还是shadowmask，都没有，所有物体的阴影都是实时画的。也许为了方便关卡设计和美工迭代？但是代价就是阴影的开销很大。实际上难怕一些关卡有一两次的时间变换，也是完全可以预先烘多套阴影来解决的，或者用一些静态阴影缓存的技术，可惜啥也没有。可能引擎里是啥样就是啥样。除此之外，local light只有那个白色的珠子会做点光源阴影，没有任何软阴影效果，阴影毛刺和锯齿非常严重，哪怕和地板距离很近，估计给的分辨率相当低，但就是这样开了白珠子后，1066的显卡差不多能从50fps掉到40fps，这个阴影还是做的挺费的。
4. 整个游戏drawcall数量非常多，光是标题界面就有5500+个（就是那个空旷的雪原），一个主要问题就是所有物体都要动态画阴影导致的，外加遮挡剔除处理的一般，在最后一个关卡的时候问题特别明显。也没有用什么indirect draw之类的技术去降低drawcall，单纯用了instancing就没了。
5. 体积光看上去就是引擎自带的，2d raymarch，1/4 - 1/2分辨率降采样（低-高画质），直接用像素着色器做的，另外用了某种空间性噪点。2d raymarch的老问题就是在高频边缘（比如头发）会有edge bleeding的状况（就是那个光线镜头动起来就抖啊抖），同时也不能正确和半透明物体交互。
6. 反射的话，我看了其他ve制作的游戏，没发现屏幕空间反射的痕迹，所以古剑3这个应该是自己加的。古剑3的屏幕空间反射做法是1/2分辨率下做raymarch。这个1/2分辨率是指每2x2的像素里固定追左上角和右下角的像素。好处在于不会出现一个方向反射模糊的情况，坏处在于噪点很明显。对于大的水面湖面，由于会额外做一次扭曲模糊反射的效果，这个问题并不明显，就是整个湖面反射看起来像油画一样。但是对于地上的小水坑来说，完全光滑平面反射，能很清楚的看到斜对角的反射空洞，还是挺影响观感的。另外古剑3的ssr的反射源是前一帧的画面，而不是当前帧的。这样做可以实现"反射反射"的效果，但说实话，古剑3基本没有这种情况，完全没必要这么做，而且还导致反射会有个轻微的延迟（当然一般玩家不一定能看得出来）。如果你在一个湖面快速移动镜头/上下跳，仔细看是能感觉到反射落后于实际图像的。当ssr不能反射到内容时，自动fallback到天空盒或者反射探头（室内的反射探头有做视差矫正，具体例子可以看天鹿城有个什么大殿的走廊地板的反射）。整体上没有用比较流行的hiz ssr或者用随机ssr，但实际上我感觉性能影响不大，主要还是纯镜面反射并不多的原因，采样数低一点，分辨率低一点都可以接受。
7. 抗锯齿做的挺烂的，没用taa，估计就是fxaa，在晃动的树叶这种亮度边缘不明显的地方显得特别糊。径向模糊采样点不高，模糊分层比较厉害。景深是单纯的高斯模糊，没有做bokeh效果（就是亮斑会变成光圈的现象）。没有自动曝光，好像连tonemapping都没有。整体感觉后处理层面还是上时代的思路。
8. 全局光的话，我没看到使用光照贴图的痕迹。有预烘焙环境贴图提供一个类似边缘光的效果，不清楚的是不是基于球谐的，也有可能只是一个简单的ambient cube。环境光遮蔽应该用的就是ve自带的屏幕空间环境光遮蔽，没啥说的。并没有使用接触阴影，其实这个对于身上的小挂饰来说效果还是很好的。另外专门给雪景做了一个遮挡检测，也是常规手法。总的来说，间接光做的挺一般的，有技术的原因，也有打光的原因，在山洞里尤其明显，黑漆嘛乌的，只能开个白珠子看看东西，但光照层次实在不行。
9. 一些小的trick：衣物的运动看着像基本的spring mass模型做的，飘动幅度大的时候会过于拉伸法线贴图的遮蔽贴图，导致衣物上褶皱像是纯贴图画上的一样，没有立体感，小幅运动还可以。动物的毛发（黄金飞天鼠，以及部分角色衣服上的毛领子），是多pass向外挤压顶点的做法，挺古老的技术了，我印象里第一个用的能追溯到ngc上的星际火狐大冒险，最近的话王者荣耀里那个什么狐狸的尾巴也是这么做的。这个技术其实在分辨率低的情况下效果特别好，看起来糊糊的真的像毛一样，分辨率高了反而容易看出戏，可以看下switch上主机模式下1080p的马银里的跳蚤怪身上的毛发，一层层的模型外扩还是挺明显的，但是在wii上480p就不明显了。这个方法还有个问题就是进一步加剧drawcall数量和overdraw，同时提高cpu和gpu端压力。又一次家园过场动画有6、7只鼠，帧率直接暴跌到20fps。另外，古剑3也在边缘用了dither进行柔化，所以能看到一些像素飞点。天空盒是纯手画的，部分场景有2d动画，类似奥德赛（我说的是马里奥）的做法，分辨率都差不多低，尤其是渭水剑炉那个地方，感觉经费不足。但是不少地方手画的美术效果不错，比如夜晚的家园，美工是真的好看（话说这么漂亮的场景为啥不开放出来给玩家自己调着看啊）。大量粒子特效动画也是纯手画的。同样也是渭水剑炉，岩浆喷溅的效果帧数非常低，加上没用flipbook，看起来相当不连贯。角色在沙漠上留脚印的方法是一个带法线贴图的面片。。。是的，就是这么简单复古，和ns上大部分游戏做法一样，也是ps3时代的东西了。
10. 天鹿城的那个海的做法（只有那里，不是其他地方的湖）：没有观察到反射，估计面积太大了；曲面戏分+顶点位移动画形成波浪；根据水面深度和水下不透明物体深度的差，在白色和水面颜色（蓝）之间插个值，很一般的做法。另外，部分城里面的沟渠里的水能看出基于顶点动画的波浪模拟，但是很多池塘里直接是贴的半透面片，这个不一致做法相当迷惑。
11. 草我看着像是引擎内置的，就是传统摆草点的方法。每个草分三个细节等级（LOD）：完整模型，十字形交叉面片，单面片。一定距离外草直接消失，而且草的阴影距离比其他物体要近一些。不同级的过度做的非常糙，开头在那个平原上，如果场景质量开的不高的话，跑起来就看到大规模植被不停在变，非常影响画面稳定性。
12. 人物脸部没有用次表面散射，看起来塑料感挺强的。而且经常会在脸的边缘处出现一圈黑圈/暗区，这是打光没打好？另外整体材质都上pbr了。
总结，烛龙本身并没有对ve进行很大的改动，除了光源剔除和屏幕空间反射外之外基本用的都是ve自己提供的东西。整体上，改进后的画面技术差不多摸到了13、14年主流大作的水准（当然不能和育碧那种激进派比），可以说是ps3时代末期技术的成熟表现，但是缺乏很多本时代常见的后处理效果，包括自动曝光，色调映射等，对画面质量有较大的影响。除此之外并没有很好的利用各种预烘焙技术，导致优化一般，性能有很多提升余地。实际上哪怕是在古剑3发售几年前的天刀，在技术上都远超古剑3:天刀有诸如cpu软光栅遮挡剔除，大规模密集植被绘制，以及体积云等技术，可以说在当年也是非常先进的。但是，古剑3仍然是同一时期国产单机游戏里素材精度最高的，画面技术最成熟的。对比同期发售的河洛群侠传和之前的仙剑6能明显感受到这点（当然河洛也不是主打画质，我只是对比一下）。外加上烛龙本身优秀的美工，游戏整体画质表现相当令我满意。古剑3是个好游戏吗？作为玩家，虽然我能明确感觉到游戏存在各种各样的问题，但是作为n年不碰国单，不在意剧情的人，我一口气打了70h通关，我觉得游戏本身还是可圈可点的。作为开发者，古剑3也是一个很好的国单观察样本，制作质量也相当令人满意。和轩辕剑7对比，古剑3也深刻说明了一个道理，与其用高上限的引擎，不如用制作组已经摸熟的引擎，毕竟引擎下限可是没底的。
本帖最后由 GuardHei 于 2020-10-22 15:53 编辑
本来想加点截图来着的，结果手机里没有，有空补
===== 更新 =====
看到有人说需要配个图，那我就来更新一波
这个是体积光，可以看到人物，尤其是头发边缘细碎模糊的问题，如果镜头动起来就会导致edge bleeding。同时可以看到体积光用了某种空间性噪声采样+模糊。
草的细节等级变化（LOD）可以在这里清楚的看出来 -- 完整模型 - 十字面片 - 纯面片
注意地上水坑的反射，有很明显的空洞痕迹（不知道s1会不会压图片质量）
对于湖面的反射来说，额外模糊扭曲了一层，看起来像油画一样，所以问题就不大了。值得注意的是，看两张截图里湖面的左边，能明显看出倒影的物体和岸上的物体形状对不上，这就是典型的屏幕空间反射采集不到信息，fallback到反射探头的问题
部分池塘周围的物体做了一层焦散的效果，就是简单的平移uv贴图做的，美工辛苦了。
左图里能明显看到分层的顶点，以及边缘的像素飞点去柔和。右图就是那个帧率骤跌的过场动画。
分镜挺漂亮的，但是很明显这个景深效果只是一个高斯模糊，没有bokeh做的散景光圈
很明显场景里的所有静态物体的阴影也是实时画的，级联阴影的过度明显。由于这个原因，对于较大的关卡来说，阴影粉刺和锯齿严重，如右图所示。同时，中间图里的脚印只是个法线贴图的贴片，凹凸程度不多。
环境光以及间接光照明质量令人失望，只有一层低频的红色，来自环境贴图里的熔岩。同时注意天空盒的分辨率很低，明显的赶工痕迹。
沙漠的夜景很美，但是并没有考虑贴图去重的问题，沙漠上贴图重复的痕迹严重，近距离看问题倒是不大。
远处的树像素碎点严重，动起来非常糊。同时注意这些树都有实时阴影，但是精度不高。这个做法说实在的，挺浪费的。
半透明雾的混合有问题，可以看到前景里人物的头发也被错误的混合进去了。很有可能是因为头发是半透明，而没有写入深度的原因。
注意腋下拉伸过大导致的贴图失真，这个嘛，场景不多，也能接受
最后放几张我特别喜欢的夜晚莲中境的截图，这个天空盒的色彩真不错，给美工喂鸡腿🍗
**的成本会比虚幻低吗 有缘古剑4了， 虚幻引擎的古剑4好想玩到。
-- 来自 能手机投票的 Stage1官方 Android客户端 hoilc 发表于 2020-10-21 18:39
**的成本会比虚幻低吗
猜不到敏感词是啥
如果你是说开发成本的话不好说，至少第一次用ue4团队也要熟悉很久的，这也算开发成本嘛，熟悉后肯定ue4成本低 本帖最后由 zhangqq_008 于 2020-10-21 19:58 编辑
GuardHei 发表于 2020-10-21 18:48
猜不到敏感词是啥
如果你是说开发成本的话不好说，至少第一次用ue4团队也要熟悉很久的，这也算开 ...
预算？
话说静态烘焙的技术难度很高吗
这玩意儿不是ue4和unity早期就已经被玩烂的技术了嘛……又不是实时动态的效果，提前给材质处理一下既能增加很多地方的画面表现力又能大幅减少gpu负担
还是vision引擎天生又缺陷不太好支持？
—— 来自 Xiaomi MI 9 SE, Android 10上的 S1Next-鹅版 v2.4.3 zhangqq_008 发表于 2020-10-21 19:40
预算？
话说静态烘焙的技术难度很高吗
这玩意儿不是ue4和unity早期就已经被玩烂的技术了……又不是实时动 ...
最的好还是有点复杂的
直接预烘培阴影的话，不能处理静态建筑物对动态物体都投影
预烘培静态物体的shadowmask的话（相当于阴影的一个中间步），针对大场景会有shadowmask分辨率不够的问题，要不然就得吃显存，整个8kx8k的
一般做法有分区域烘培静态shadowmask，或者近处物体都是实时阴影。远处物体fallback到只有静态阴影。
ve我没用过。不知道管线流程是什么样的，但烛龙这肯定“偷懒”了 GuardHei 发表于 2020-10-21 19:57
最的好还是有点复杂的
直接预烘培阴影的话，不能处理静态建筑物对动态物体都投影
预烘培静态物体的shadow ...
话说你怎么看柳叶刀工作室最近刚宣布完成基础开发的太空fps边境
那个光追和立体空间里的物理碰撞效果惊艳到我了
—— 来自 OnePlus KB2000, Android 11上的 S1Next-鹅版 v2.4.3 古剑的主美和企划走了，基本算是重创。
看了这篇分析更觉得是这样了 巫师1好像也是这个引擎？
—— 来自 Xiaomi Redmi K30 5G, Android 10上的 S1Next-鹅版 v2.4.3 省心 发表于 2020-10-21 20:56
巫师1好像也是这个引擎？
—— 来自 Xiaomi Redmi K30 5G, Android 10上的 S1Next-鹅版 v2.4.3 ...
巫师用的是bioware支援给cdpr的Aurora引擎……有名点儿的作品有无冬之夜和翡翠帝国，旧共和国武士这种
二代cdpr才开始转用自研的引擎
—— 来自 OnePlus KB2000, Android 11上的 S1Next-鹅版 v2.4.3 zhangqq_008 发表于 2020-10-21 20:04
话说你怎么看柳叶刀工作室最近刚宣布完成基础开发的太空fps边境
那个光追和立体空间里的物理碰撞效果惊艳 ...
看了下那个光追演示
这个要分两方面看：
一方面是本身ue4已经支持光追了，而且老黄现在为了推广光追，也会给很多小开发商提供技术协助，所以单纯给游戏加到不是什么难点。
另一方面来说，怎么优化好就不好说了。
就现在的演示来看，有光追软阴影，光追焦散和光追反射，不确定有没有光追gi。总体来说，光追软阴影的躁点是相当明显的，反射的话也比较糊。我看了下benchmark，1080p+dlss下，用2080在一开始室内跑不满60fps（大概是场景比较复杂），室外比较流畅（大概模型少了很多）。
单纯从画面效果来说，这种游戏挺适合光追的，素色的模型能非常逼近groundtruth的结果，一开始的焦散效果也非常惊艳，但是这个效果并没有在室外出现过。室内优化不好说，但是我觉得这游戏应该没什么室内游玩内容，所以问题不大。
目前没有看到大面积镜面反射的场景，不知道这个会怎么影响帧率 这种我只能围观增加下人气了 其实烛龙还是没能很好地发挥这个引擎
印象比较深的还是古剑2时期，当时官方论坛有人分析，他们给某个大平地加了一大堆三角形，导致走到那附近的时候帧数直接暴降（也隔了7年，是因为什么加的或者具体的原因就不是很清楚，但多边形那张图印象非常深刻）
比较纳闷的是当时udk已经是支持按比例和买断授权两种，而且虚幻3做大型网游也在那个时候有很多案例可以借鉴了（2010-2012这段时期国产自研网游用虚幻3的比例特别高）为什么古剑2还是要选择名不见经传的引擎，这也是我一直以来非常纳闷的问题 慕容断月 发表于 2020-10-21 23:09
其实烛龙还是没能很好地发挥这个引擎
印象比较深的还是古剑2时期，当时官方论坛有人分析，他们给某个大平 ...
ve不算名不见经传呀，之前像育碧这类大厂也用过
其实现在也有游戏在用，指手游
要不然后来怎么会被英特尔收购了 GuardHei 发表于 2020-10-21 23:45
ve不算名不见经传呀，之前像育碧这类大厂也用过
其实现在也有游戏在用，指手游
要不然后来怎么会被英特尔 ...
原来如此，我还真不知道育碧以前用过
不过老上软+烛龙这拨人用不好引擎全部实力也是传统艺能了，以前renderware也是这样 vision好像古一就开始用了，所以被吐槽传家宝，不过古三做成这样是不错了
虚幻三当年就网上不停吹，但国内根本没人才，你看仙剑6就是这结果，后来虚幻4免费才**普及开来 lbzlxx 发表于 2020-10-22 00:28
vision好像古一就开始用了，所以被吐槽传家宝，不过古三做成这样是不错了
虚幻三当年就网上不停吹，但国内 ...
古一我没记错的话是gamebryo
我查vision engine的授权记录，烛龙也确实是从古二才有的。
另外仙6不是unity5吗 我也来回帖赞一下技术力，最主要的是我点了最下面的广告版主一定不会怪我水 本帖最后由 q8f13 于 2020-10-22 02:28 编辑
与其用高上限的引擎，不如用制作组已经摸熟的引擎——这点太同意了。毕竟对团队来说围绕引擎的积累才是开发资本
ve不了解，但tiled deferred的方式Unity HDRP和UE4都在用了，应该不算什么优势
远景没有df阴影么。全实时也太粗暴了吧。UE4在大场景混用df和csm稍微调教下效果还可以的
没tonemapping感觉不应该，怎么也pbr了。看纹理美术方面积累还是上个世代的
没用TAA估计是为了规避拖影情况
整体是TA拖后腿美术帮抗的观感
期待大佬的其他案例分析
真的好文 学到不少 q8f13 发表于 2020-10-22 02:25
与其用高上限的引擎，不如用制作组已经摸熟的引擎——这点太同意了。毕竟对团队来说围绕引擎的积累才是开发 ...
taa没上估计是因为整个管线都要改的原因，这样的话，包括之前内置的ssao啥的都要改。拖影确实，尤其对于烛龙这种非技术大厂来说是没啥精力去调了。
tiled deferred这个之所以单独拿出来一说，是因为我个人觉得ve还是个ps3时代的引擎，所以值得一提，要不然现在都基本往cluster发展了。话说我看新版本unity urp的源码，也上tiled deferred了，还是支持depth mask的2.5d tile。话又说回来，ue4也是在灯光少的时候用传统的stencil deferred，以古剑3里的光源数量来说，我觉得传统的deferred也是完全可行的。
distance field阴影这东西也是ue4带流行起来的吧？这个要打完整个流程，从生成合理开销的df，到转换空间，到raymarch，对引擎也要改不少，大概也就没做了。
没tonemapping是不应该，而且本身游戏hdr这块做的不行，可惜美术了 可是我是一名两年的古剑ol的玩家，古剑ol的体验上来说其实非常的差。
官方也准备转移到虚幻4了。我倒是没觉得古剑ol选择用ve是对的。
古剑三倒是很好。。也有可能ol的开发组没吃透吧/ 更了下截图和说明，在二楼翻翻当时的截图还蛮有意思的 老哥，我想请教下用啥工具分析游戏里面的渲染技术的呢，renderdoc这种嘛 GuardHei 发表于 2020-10-22 15:54
更了下截图和说明，在二楼翻翻当时的截图还蛮有意思的
求教 寒冰0c 发表于 2022-8-17 00:46
老哥，我想请教下用啥工具分析游戏里面的渲染技术的呢，renderdoc这种嘛
我用的renderdoc，n卡也可以用nsight graphics
—— 来自 S1Fun
页:
[1]