大型3D地圖優化渲染技術
技術簡介：
如果需要渲染一個大型3D地圖，由於資料量，需要渲染的東西非常多，所以尤其一些慢一點的機器就會變得非常卡。
如下面這些會造成幀率（FPS）下降的圖：
這樣的圖：
還有這樣的魔獸世界的圖：
還有這樣的圖：
上圖我是指她的背景圖啦，O(∩_∩)O~
到底暴雪是如何讓這些場景流暢地渲染的呢？
那就必須想辦法提高渲染速度，也就是幀率（FPS）要提高，才能使得遊戲流暢。
像魔獸這樣大型的遊戲具體是用什麼技術的，那不敢確定，但是會用到的相關技術會有：
1 地圖分塊剔除
2 kd樹
3 BSP樹
4 LOD技術
等等，最後把場景優化到極致，才能創造出偉大的遊戲。每一種技術都需要挺長篇幅介紹的，本文就分析第一種技術：地圖分塊剔除技術(Sub-Grid Culling)
地圖分塊剔除技術分析
1 3D投影剔除（Frustum Culling）
把一個大地圖分隔成由多個小地圖實現，那麼本來需要呼叫一次就畫成的地圖，現在需要多次呼叫，但是我們可以利用Frustum Culling（3D投影剔除-我覺得比較滿意的翻譯名詞吧）技術優化渲染。
Frustum Culling的思路是：
每一個小塊地圖，我們計算相對應的AABB包圍體；
如果這個AABB和Frustum不相交，那麼就不用畫這個小塊地圖。
Frustum是下面的形狀：
如下圖：大三角形代表Frustum，小方格代表小塊地圖，灰色小方格代表與Frustum相交，需要渲染，但是白色地帶就不與Frustum相交，所以都不需要渲染，那麼我們可以看出這就省了很多渲染內容，也就速度大大提高了。
也可以不使用分格和AABB方法進行Frustum Culling：
把所有的組成地圖的三角形輸入顯示卡，讓顯示卡自動裁剪不在Frustum中的三角形。但是其實這個裁剪髮生在Clipping Stage，就差不多是渲染管道的最後的渲染工作了，那麼這些不用渲染你的三角形就會通過大部分渲染管道，如：Vertex Shader，那麼就浪費了很多計算呢時間。
使用分格和AABB的方法就可以簡單的利用一個AABB相交測試就可以丟棄一個不用渲染的小塊地圖資料了，效率可以更大地提高。
掌握這個分塊的數量也很重要。如下圖：
這樣就是更加精細的分塊了。需要渲染的面積更小，但是相對而言節省的也不多，而精細的分塊也需要花費更多的計算時間，如：畫基本元幾何圖形的函式呼叫次數也更多了，還有AABB相交測試也增多；
所謂過猶不及，要掌握好度很重要。到底分多少個小地圖塊是合適的，就需要實際分析了。
而且這裡的Frustum Culling主要是節省了vertex shading的計算時間，如果一個圖形是主要花費在pixel shanding上的話，比如大量的particles需要渲染，那麼這種Frustum Culling方法就不會有太大的提速效果。
2 小地圖資料結構體：
首先需要定義一個結構體來表示小地圖塊的資料，如下：
struct SubGrid
{
ID3DXMesh* mesh;
AABB box;
// For sorting.
bool operator<(const SubGrid& rhs)const;
const static int NUM_ROWS = 33;
const static int NUM_COLS = 33;
const static int NUM_TRIS = (NUM_ROWS-1)*(NUM_COLS-1)*2;
const static int NUM_VERTS = NUM_ROWS*NUM_COLS;
};主要功能就是這個比較操作符，是根據該小地圖塊和Camera的距離來比較大小的。把所有的小地圖塊都按照離Camera的距離由進到遠排序，那麼就方便由進到遠（前到後）的渲染方式渲染。這種方式的渲染可以提高速度，尤其是在渲染管道中pixel shader渲染是瓶頸的時候，當然如果vertex shader是瓶頸，那麼就提高不明顯。
基本原理就是：
1 更新畫素（pixel)的時候，渲染器都進行了depth testing(深度測試），只有在距離鏡頭進的物體才會被渲染，否則就不渲染。
2 如果排序好的物體，前面渲染的物體都是距離近的，那麼後面渲染的物體如果被前面的物體擋住了，那麼就根本不需要渲染了。
3 如果不是排序好的話，前面渲染了距離遠的物體，那麼後面渲染的物體距離鏡頭更加近，就需要重新更新當前畫素，造成重複浪費渲染。
bool Terrain::SubGrid::operator<(const SubGrid& rhs) const
{
D3DXVECTOR3 d1 = box.center() - gCamera->pos();
D3DXVECTOR3 d2 = rhs.box.center() - gCamera->pos();
return D3DXVec3LengthSq(&d1) < D3DXVec3LengthSq(&d2);
}
3 計算出Frustum：
Frustum是從投影矩陣抽出來的。因為Frustum就是由投影矩陣定義的，也可以說兩者都在實際上是一致的：
如投影示意圖：
Frustum：
其實是概念上不一樣，但是實際上一樣的東西。不過應用也不一樣。
下面是從投影矩陣抽出Frustum的程式：
void Camera::buildWorldFrustumPlanes()
{
// Note: Extract the frustum planes in world space.
D3DXMATRIX VP = mView * mProj;
D3DXVECTOR4 col0(VP(0,0), VP(1,0), VP(2,0), VP(3,0));
D3DXVECTOR4 col1(VP(0,1), VP(1,1), VP(2,1), VP(3,1));
D3DXVECTOR4 col2(VP(0,2), VP(1,2), VP(2,2), VP(3,2));
D3DXVECTOR4 col3(VP(0,3), VP(1,3), VP(2,3), VP(3,3));
// Planes face inward.
mFrustumPlanes[0] = (D3DXPLANE)(col2); // near
mFrustumPlanes[1] = (D3DXPLANE)(col3 - col2); // far
mFrustumPlanes[2] = (D3DXPLANE)(col3 + col0); // left
mFrustumPlanes[3] = (D3DXPLANE)(col3 - col0); // right
mFrustumPlanes[4] = (D3DXPLANE)(col3 - col1); // top
mFrustumPlanes[5] = (D3DXPLANE)(col3 + col1); // bottom
for(int i = 0; i < 6; i++)
D3DXPlaneNormalize(&mFrustumPlanes[i], &mFrustumPlanes[i]);
}其中的數學原理卻是比較複雜的，需要相當的圖形學基礎。
4 Frustum和AABB包圍體的碰撞檢測
下面是檢測Frustum六個平面與AABB包圍體碰撞的程式碼：
bool Camera::isVisible(const AABB& box)const
{
// Test assumes frustum planes face inward.
D3DXVECTOR3 P;
D3DXVECTOR3 Q;
// N *Q *P
// | / /
// |/ /
// -----/----- Plane -----/----- Plane
// / / |
// / / |
// *P *Q N
//
// PQ forms diagonal most closely aligned with plane normal.
// For each frustum plane, find the box diagonal (there are four main
// diagonals that intersect the box center point) that points in the
// same direction as the normal along each axis (i.e., the diagonal
// that is most aligned with the plane normal). Then test if the box
// is in front of the plane or not.
for(int i = 0; i < 6; ++i)
{
// For each coordinate axis x, y, z...
for(int j = 0; j < 3; ++j)
{
// Make PQ point in the same direction as the plane normal on this axis.
if( mFrustumPlanes[i][j] >= 0.0f )
{
P[j] = box.minPt[j];
Q[j] = box.maxPt[j];
}
else
{
P[j] = box.maxPt[j];
Q[j] = box.minPt[j];
}
}
// If box is in negative half space, it is behind the plane, and thus, completely
// outside the frustum. Note that because PQ points roughly in the direction of the
// plane normal, we can deduce that if Q is outside then P is also outside--thus we
// only need to test Q.
if( D3DXPlaneDotCoord(&mFrustumPlanes[i], &Q) < 0.0f ) // outside
return false;
}
return true;
}因為Frustum有六個平面，所以要迴圈檢測六次，只要任何一次AABB包圍體是在平面負面的，那麼就返回false，表示沒有在Frustum內。
這樣檢測可以不用考慮這些平面並不是無限延伸的，而是當作一般平面來檢測，簡化了計算。
因為每個平面四面都有被其他平面包圍著，如果AABB與該平面在Frustum外相交，那麼AABB就會是在其他四個平面任一個平面的負面，所以會在和其他平面檢測的時候，檢測出來該AABB不在Frustum內。
5 最後就是渲染：
void Terrain::draw()
{
// Frustum cull sub-grids.
std::list<SubGrid> visibleSubGrids;
for(UINT i = 0; i < mSubGrids.size(); ++i)
{
if( gCamera->isVisible(mSubGrids[i].box) )
visibleSubGrids.push_back(mSubGrids[i]);
}
// Sort front-to-back from camera.
visibleSubGrids.sort();
mFX->SetMatrix(mhViewProj, &gCamera->viewProj());
mFX->SetTechnique(mhTech);
UINT numPasses = 0;
mFX->Begin(&numPasses, 0);
mFX->BeginPass(0);
for(std::list<SubGrid>::iterator iter = visibleSubGrids.begin(); iter != visibleSubGrids.end(); ++iter)
HR(iter->mesh->DrawSubset(0));
mFX->EndPass();
mFX->End();
}渲染步驟：
1 先檢測是否可見，即是否與Frustum相交，相交的放入一個list容器中。
std::list<SubGrid> visibleSubGrids;
for(UINT i = 0; i < mSubGrids.size(); ++i)
{
if( gCamera->isVisible(mSubGrids[i].box) )
visibleSubGrids.push_back(mSubGrids[i]);
}
2 按照離鏡頭的遠近排序：
// Sort front-to-back from camera.
visibleSubGrids.sort();
3 最後就是逐個小地圖塊渲染
for(std::list<SubGrid>::iterator iter = visibleSubGrids.begin(); iter != visibleSubGrids.end(); ++iter)
HR(iter->mesh->DrawSubset(0));
其他程式碼是Shader渲染設定。
6 實現地圖分塊剔除技術關鍵步驟總結：
1 地圖分塊，定義好儲存資料的結構體，包含AABB包圍體
2 根據投影矩陣，計算Frustum
3 檢測Frustum和小地圖塊的AABB包圍體是否碰撞，儲存好碰撞的小地圖塊
4 根據離鏡頭遠近排序可見的（即碰撞的）小地圖塊，按循序渲染
下面是應用了本技術的效果圖：
