关于优化 Z 缓冲区实现的建议？

Question

我正在编写一个 3D 图形库作为我项目的一部分，目前一切正常，但还不够好。

特别是，我最头痛的是我的像素填充率非常慢——在我的目标机器上绘制一个跨越半个 800x600 窗口的三角形时，我什至无法管理 30 FPS（这诚然是一台较旧的计算机，但它应该能够管理 this 。）

我在我的可执行文件上运行了 gprof，最终得到了以下有趣的行：

  %   cumulative   self              self     total           
time   seconds   seconds    calls  ms/call  ms/call  name    
43.51      9.50     9.50                             vSwap
34.86     17.11     7.61   179944     0.04     0.04  grInterpolateHLine
13.99     20.17     3.06                             grClearDepthBuffer
<snip>
0.76      21.78     0.17      624     0.27    12.46  grScanlineFill

函数。 vSwap 是我的双缓冲区交换函数，它还执行 vsyching，所以对我来说测试程序将花费大量时间在那里等待是有意义的。 grScanlineFill 是我的三角形绘制函数，它创建一个边缘列表，然后调用 grInterpolateHLine 来实际填充三角形。

我的引擎当前正在使用 Z 缓冲区来执行隐藏表面去除。如果我们忽略（假定的）垂直同步开销，那么结果表明测试程序花费了大约 85% 的执行时间来清除深度缓冲区，或者根据深度缓冲区中的值写入像素。我的深度缓冲区清除功能本身很简单：将浮点数的最大值复制到每个元素中。函数 grInterpolateHLine 是：

void grInterpolateHLine(int x1, int x2, int y, float z, float zstep, int colour) {
    for(; x1 <= x2; x1 ++, z += zstep) {
        if(z < grDepthBuffer[x1 + y*VIDEO_WIDTH]) {
            vSetPixel(x1, y, colour);
            grDepthBuffer[x1 + y*VIDEO_WIDTH] = z;
        }
    }
}

我真的不知道如何改进它，特别是考虑到 vSetPixel 是一个宏。

我所有的优化想法都被精简为一个：

1. 使用整数/定点深度缓冲区。

我在整数/定点深度缓冲区方面遇到的问题是插值可能非常烦人，而且我实际上还没有定点数字库。还有其他想法吗？任何建议将不胜感激。

Answer 1

您应该看一下 Quake 之类的源代码 - 考虑到 15 年前它在 Pentium 上可以实现什么。它的 z 缓冲区实现使用跨度而不是每像素（或片段）深度。否则，您可以查看 Mesa 中的光栅化代码。

Answer 2

在不查看其余代码的情况下，很难真正判断可以完成哪些更高阶的优化。不过，我有一些小观察。

无需在 grInterpolateHLine 中多次计算 x1 + y * VIDEO_WIDTH。即：

void grInterpolateHLine(int x1, int x2, int y, float z, float zstep, int colour) {
    int offset = x1 + (y * VIDEO_WIDTH);
    for(; x1 <= x2; x1 ++, z += zstep, offset++) {
        if(z < grDepthBuffer[offset]) {
            vSetPixel(x1, y, colour);
            grDepthBuffer[offset] = z;
        }
    }
}

同样，我猜测您的 vSetPixel 会进行类似的计算，因此您也应该能够在那里使用相同的偏移量，然后您只需要在每次循环迭代中增加偏移量而不是 x1。有可能这可以扩展到调用 grInterpolateHLine 的函数，然后您只需要对每个三角形执行一次乘法。

您还可以使用深度缓冲区执行其他一些操作。大多数情况下，如果该行的第一个像素失败或通过深度测试，则该行的其余部分将具有相同的结果。因此，在第一次测试之后，您可以编写一个更高效的组装块来一次性测试整行，然后如果它通过，您可以使用更高效的块内存设置器来块设置像素和深度值，而不是在一次。如果线条仅部分被遮挡，您只需要测试/设置每个像素。

另外，不确定您所说的旧计算机是什么意思，但如果您的目标计算机是多核的，那么您可以将其分解为多个核心。您也可以对缓冲区清除功能执行此操作。它可以有很大帮助。

Answer 3

我最终通过用 Painter 算法替换 Z 缓冲区来解决这个问题。我使用 SSE 编写了一个 Z 缓冲区实现，该实现创建了一个带有要绘制的像素的位掩码（加上 Gerald 建议的范围优化），但它仍然运行得太慢。

谢谢大家的意见。