大场景渲染加速算法

0. 实时渲染四大目标

  • 更高的每秒帧数
  • 更高的分辨率
  • 渲染更多的物体与更具真实感的场景
  • 实现更高的复杂度

1. 空间数据结构 | Spatial Data Structures

空间数据结构（Spatial Data Structures）是将几何体组织在 N 维空间中的一系列数据结构，而
且我们可以很容易地将二维和三维的一些概念扩展到高维之中。这些空间数据结构可以用于
很多实时渲染相关操作的加速查询中，如场景管理，裁减算法、相交测试、光线追踪、以及
碰撞检测等。
空间数据结构的组织通常是层次结构的。宽泛地说，即最顶层包含它之下的层次，后者又包
含更下层的层次，以此类推。因此，这种结构具有嵌套和递归的特点。用层次结构的实现方
式对访问速度的提升很有帮助，复杂度可以从 O(n)提升到 O(log n)。但同时，使用了层次结构
的大多数空间数据结构的构造开销都比较大，虽然也可以在实时过程中进行渐进更新，但是
通常需要作为一个预处理的过程来完成。
一些常见的空间数据结构包括：
• 层次包围盒（Bounding Volume Hierachy，BVH）
• 二元空间分割树（Binary Space Partitioning，BSP），
• 四叉树 （QuadTree）
• kd 树（k-dimensional tree）
• 八叉树（Octree）
• 场景图 （Scene Graphs）
其中，BSP 树和八叉树都是基于空间细分（Space Subdivision）的数据结构，这说明它们是对
整个场景空间进行细分并编码到数据结构中的。例如，所有叶子节点的空间集合等同于整个
场景空间，而且叶子节点不相互重叠。

1.1 层次包围盒 | Bounding Volume Hierarchies , BVH

层次包围盒（Bounding Volume Hierarchies, BVH）方法的核心思想是用体积略大而几何特征简
单的包围盒来近似地描述复杂的几何对象，从而只需对包围盒重叠的对象进行进一步的相交
测试。此外，通过构造树状层次结构，可以越来越逼近对象的几何模型，直到几乎完全获得
对象的几何特征。
对于三维场景的实时渲染来说，层次包围体（Bounding Volume Hierarchy，BVH）是最常使用
的一种空间数据结构。例如，层次包围体经常用于层次视锥裁减。场景以层次树结构进行组
织，包含一个根节点（root）、一些内部节点（internal nodes），以及一些叶子节点
（leaves）。顶部的节点是根，其无父节点。叶子节点（leaf node）包含需渲染的实际几何
体，且其没有子节点。
相比之下，内部节点包含指向它子节点的指针。因此，只要根节点不是这颗树唯一的一个节
点，那么它就是一个内部节点。树中的每一个节点，包括叶子节点，都有一个包围体可以将
其子树中的所有几何体包围起来，这就是包围体层次的命名来源，同时，也说明了根节点有
一个包含整个场景的包围体。

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1.2 BSP 树 | BSP Trees

BSP 树(二叉空间分割树，全称 Binary Space Partitioning Tree)是一种常用于判别对象可见性的
空间数据结构。类似于画家算法，BSP 树可以方便地将表面由后往前地在屏幕上渲染出来，
特别适用于场景中对象固定不变，仅视点移动的情况。
其中，BSP 是 Binary SpacePartitioning（二叉空间划分法）的缩写。这种方法递归地将空间使
用超平面划分为凸面体集合。而这种子划分引出了借助于称之为 BSP 树的树形数据结构的场
景表示。

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1.3 八叉树 | Octrees

八叉树（octree），或称八元树，是一种用于描述三维空间的树状数据结构。八叉树的每个节
点表示一个正方体的体积元素，每个节点有八个子节点，这八个子节点所表示的体积元素加
在一起就等于父节点的体积。一般中心点作为节点的分叉中心。
简单来说，八叉树的空间划分方式很简单，即递归地进行规整地 1 分为 8 的操作。如下图，
把一个立方体分割为八个同样大小的小立方体，然后递归地分割出更的小立方体。这个就是
八叉树的命名来源。这种分割方式可以得到比较规则的结构，从而使得查询变得高效。

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相似地，四叉树是把一个二维的正方形空间分割成四个小正方形。而八叉树是四叉树的三维
空间推广。

1.4 场景图 | Scene Graphs

BVH、BSP 树和八叉树都是使用某种形式的树来作为基本的数据结构，它们的具体区别在于
各自是如何进行空间分割和几何体的存储，且他们均是以层次的形式来保存几何物体。然而
三维场景的绘制不仅仅是几何体。
然而，渲染三维场景不仅仅只是渲染出几何图形，对动画，可见性，以及其他元素的控制，
往往需要通过场景图（Scene Graphs）来完成。
场景图被誉为“当今最优秀且最为可重用的数据结构之一。”Wiki 中的对场景图的定义是
“场景图（Scene Graph）是组织和管理三维虚拟场景的一种数据结构，是一个有向无环图
（Directed Acyclic Graph， DAG）。
场景图是一个面向用户的树结构，可以通过纹理、变换、细节层次、渲染状态（例如材质属
性）、光源以及其他任何合适的内容进行扩充。它由一棵以深度优先遍历来渲染整个场景的
树来表示。

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另外提一句，开源的场景图有 Open Scene Graph 和 OpenSG 等，有兴趣的朋友们可以进行进一
步了解。

裁剪技术 | Culling Techniques

参考文章Culling Techniques

层次细节 | LOD, Level of Detail

https://github.com/sp4cerat/Fast-Quadric-Mesh-Simplification 减面算法