3D游戏如何高效？

Question

有一些我从未理解过的东西。像GTA IV这样伟大的大型PC游戏如何使用50％的CPU并以60fps运行，而旋转茶壶@ 60fps的DX演示使用率高达30％？

Answer 1

耐心，技术技能和耐力。

首先，DX演示主要是一种教学辅助工具，因此为了清晰起见而不是执行速度。

这是一个非常重要的主题，但游戏开发主要是关于理解您的数据和执行路径到几乎病态程度。

1. 您的代码围绕两件事 - 您的数据和目标硬件。
2. 最快的代码是永远不会被执行的代码 - 将您的数据分批分批，只对您需要的数据进行昂贵的操作
3. 如何存储数据是关键 - 以连续访问为目标，这使您可以高速批量处理。
4. Parellise你可能的一切
5. 现代CPU速度快，现代RAM速度很慢。缓存未命中是致命的。
6. 尽可能多地推送到GPU - 它具有快速本地内存，因此可以浏览数据，但您需要通过正确组织数据来帮助它。
7. 避免使用大量的renderstate开关（再次批量相似的顶点数据），因为这会导致GPU停止
8. 调整您的纹理并确保它们是2的幂 - 这改善了GPU上的纹理缓存性能。
9. 尽可能多地使用细节级别 - 低/中/高版本的3D模型并根据相机播放器的距离进行切换 - 如果屏幕上仅有5个像素，则无需渲染高分辨率版本。

Answer 2

一般来说，这是因为

1. 游戏对于他们需要呈现的内容是最佳的，并且
2. 他们特别利用您的硬件。

例如，您可以进行一项简单的优化，而不是实际尝试绘制无法看到的内容。考虑一个复杂的场景，如来自侠盗猎车手IV 的城市景观。渲染器实际上并不渲染所有建筑物和结构。相反，它只渲染相机可以看到的内容。如果你可以飞到这些相同建筑物的后面，面对原始相机，你会看到一个半建成的镂空外壳结构。相机看不到的每一个点都没有渲染 - 因为你看不到它，所以没有必要尝试向你显示它。

此外，当您针对特定硬件集进行开发时，存在优化的指令和特殊技术，以实现更好的加速。

你问题的另一部分是为什么演示使用了这么多CPU：

  

...虽然旋转茶壶@ 60fps的DX演示使用了惊人的30％？

当您的硬件不支持显示漂亮所需的所有功能时，图形API（如dxdemo）的演示通常会回退到所谓的软件渲染器例。这些功能可能包括阴影，反射，光线追踪，物理等等。

这模仿了一个完全功能齐全的硬件设备的功能，该设备不太可能存在，以展示API的所有功能。但由于硬件实际上并不存在，因此它会在您的CPU上运行。这比委托显卡效率低得多 - 因此你的CPU使用率很高。

Answer 3

3D游戏非常适合欺骗你的眼睛。例如，存在一种称为屏幕空间环境遮挡（SSAO）的技术，其通过遮蔽接近表面不连续的场景的那些部分来给出更逼真的感觉。如果你看一下墙角，你会发现它们在大多数情况下看起来比中心稍暗。

使用光能传递可以实现同样的效果，光能传递基于相当精确的模拟。光能传递也会考虑到弹跳灯等的更多影响，但它的计算成本很高 - 这是一种射线追踪技术。

这只是一个例子。有数百种用于实时计算机图形的算法，它们基本上基于良好的近似值，并且通常做出很多假设。例如，必须非常谨慎地选择空间排序，具体取决于速度，摄像机的典型位置以及场景几何体的变化量。

这些“优化”巨大 - 您可以有效地实施算法并使其运行速度提高10倍，但选择产生类似结果的智能算法（“作弊”）可以让您走从O（N ^ 4）到O（log（N））。

优化实际实施是使游戏更高效的原因，但这只是线性优化。

Answer 4

Eeeeek！

我知道这个问题很老了，但令人兴奋的是没有人提到过VSync !!! ???

您将60fps的游戏CPU使用率与60fps的茶壶演示的CPU使用率进行了比较。

是不是很明显，两者都以60fps运行（或多或少）？这导致答案......

两个应用都启用了vsync！这意味着（哑巴）渲染帧率被锁定到显示器的“垂直空白间隔”。图形硬件（和/或驱动程序）最多只能渲染。 60fps的。 60fps = 60Hz（Hz =每秒）刷新率。所以你可能使用相当古老的闪烁CRT或普通的LCD显示器。在以100Hz运行的CRT上，您可能会看到高达100Hz的帧速率。 VSync也适用于LCD显示器（它们的刷新率通常为60Hz）。

所以，茶壶演示可能实际上运行效率更高！如果它使用30％的CPU时间（相比于GTA IV的50％CPU时间），则每帧可能使用较少的CPU时间，并且等待下一个垂直空白间隔的时间更长。要比较这两个应用，您应该禁用vsync并再次测量（您将为这两个应用测量更高的fps）。

有时可以禁用vsync（大多数游戏在其设置中都有一个选项）。有时，当禁用vsync时，您会看到“撕裂的人工制品”。

您可以在维基百科上找到它的详细信息及其使用原因：http://en.wikipedia.org/wiki/Vsync

Answer 5

虽然这里的许多答案提供了如何的出色指示，但我会回答更简单的问题为什么

• GTA4 took $400 Million dollars in it's first week
• Crytech写了一个非常令人印象深刻的图形演示，让nVidia在一个贸易展上“炫耀”。由此产生的印象使他们能够创造出会成为FarCry的东西。
• Valve的2005 revenue and operating profit分别为70和5500万美元。

也许最好的例子（当然最着名的一个）是Id软件。他们很早就意识到，Commander Keen（3D之前）提出了一种聪明的方法来实现 ¹ ，即使它依赖于现代硬件（在这种情况下是EGA显卡！）图形优于竞争对手，这将使您的游戏脱颖而出。这是真的，但他们进一步意识到，他们不必自己拿出新的游戏和内容，而是可以获得技术许可，从而从其他人那里获得收入，同时能够开发下一代引擎，从而再次在竞争中崭露头角

这些程序员的能力（加上商业头脑）使他们变得富有。

这就是说激励这些人并不一定是金钱。实现这一目标的愿望很可能也是如此。他们在早期赚取的钱只意味着他们现在有时间投入他们喜欢的东西。虽然许多人outside interests几乎所有人仍然编程，并试图找出比上一次迭代做得更好的方法。

简单地说，编写茶壶演示的人可能会遇到以下一个或多个问题：

• 更少的时间
• 资源少
• 少奖励激励
• 减少内部和外部竞争
• 次要目标
• 少人才

最后可能听起来很苛刻 ² 但显然有些人比其他人更好，钟形曲线有时会有极端的结果，他们往往被吸引到相应的极端技能。

较小的目标实际上可能是主要原因。茶壶演示的目标只是一个演示。但不是程序员技能 ³ 的演示。这将是一个（大）操作系统的一个小方面的演示，在这种情况下是DX渲染。

对于那些观看演示的人来说，只要看起来足够好，它就不会使用比所需的更多的CPU 。没有受益人时，没有动力消除浪费。相比之下，游戏更喜欢有更好的人工智能，更好的声音，更多的多边形，更多的效果。

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1. 在这种情况下，在PC硬件上平滑滚动
2. 可能比我更多，所以我们很清楚
3. 严格来说，它本来也是他/她的经理的演示，但这里的驱动器再次是时间和/或视觉质量。

Answer 6

由于一些原因

• 3D游戏引擎经过高度优化
• 大部分工作由图形适配器完成
• 50％Hm，让我猜你有一个双核心，只使用一个核心; - ）

编辑：提供少量数字

2.8 Ghz Athlon-64，配备NV-6800 GPU。结果是：

• CPU：72.78 Mflops
• GPU：2440.32 Mflops

Answer 7

有时一个场景可能比它出现的更多。例如，具有数千个顶点的旋转茶壶，环境映射，凹凸贴图和其他所有同时渲染的复杂像素着色器等于大量处理。很多时候，这些茶壶演示只是为了展示某种特殊效果。当绝对性能不是目标时，他们也可能无法始终充分利用GPU。

在游戏中你可能会看到类似的效果，但它们通常是以妥协的方式完成的，以最大限度地提高帧速率。这些优化扩展到您在游戏中看到的所有内容。问题在于，“我们如何以最少的处理能力创造最壮观，最逼真的场景？”这就是让游戏程序员成为最好的优化者的原因。

Answer 8

1. 场景管理。 kd-trees，frustrum culling，bsps，heirarchical bounding boxes，partial visibility set。
2. LOD。切换较低的细节版本以代替远处的物体。
3. 冒名顶替。像LOD一样，但甚至不是一个对象只是一张图片或'广告牌'。
4. SIMD。
5. 自定义内存管理。对齐记忆，减少碎片。
6. 自定义数据结构（即没有STL，相对最小的模板）。
7. 组装到位，主要用于SIMD。

Answer 9

通过给出的所有合格且良好的答案，仍然缺少重要的答案：Windows的CPU利用率计数器不是非常可靠。我想这个简单的茶壶演示只是调用渲染函数的空闲循环，阻塞缓冲区交换。

现在Windows CPU利用率计数器只是查看每个进程中花费了多少CPU时间，而不是如何使用此CPU时间。尝试添加

Sleep(0);

从渲染函数返回后，进行比较。

Answer 10

此外，从艺术的角度来看，有许多技巧可以节省计算能力。在许多游戏中，特别是旧游戏中，阴影被预先计算并“烘焙”到地图的纹理中。很多时候，艺术家试图使用平面（两个三角形）来表示树木和特殊效果之类的东西，而它们看起来大致相同。游戏中的雾是一种避免渲染远距离物体的简单方法，而且游戏通常会为远视图，中视图和近视图提供多个分辨率。

Answer 11

  

像GTA IV这样的大型PC游戏如何使用50％的CPU并以60fps的速度运行，而旋转的Teapot @ 60fps的DX演示使用率高达30％？

虽然GTA很可能比DX演示更有效，但以这种方式衡量CPU效率基本上是打破的。效率可以定义，例如你在每个给定时间内做了多少工作。一个简单的反例：每个逻辑CPU产生一个线程，并在其上运行一个简单的无限循环。您将获得100％的CPU使用率，但效率不高，因为没有有用的工作。

这也导致了一个答案：游戏如何高效？在编写“伟大的大型游戏”时，我们致力于在各个方面（现在通常还包括多核优化）优化游戏。至于DX演示，其重点不是快速运行，而是展示概念。

Answer 12

我认为你应该看一下 GPU利用率而不是CPU ...我敢打赌，GTA IV中的显卡比Teapot样本中的显卡更加繁忙（它应该几乎空闲）。

也许你可以使用像这个监视器这样的东西来检查：

http://downloads.guru3d.com/Rivatuner-GPU-Monitor-Vista-Sidebar-Gadget-download-2185.html

同样需要考虑帧率，也许茶壶样本全速运行（可能是1000fps），大多数游戏都限制在显示器的刷新频率（约60fps）。

Answer 13

查看vsync的答案;这就是他们以相同的帧速率运行的原因。

其次，CPU在游戏中缺少领先优势。一个简单的解释是主游戏循环只是一个无限循环：

while(1) { 
  update();
  render();
}

即使你的游戏（或者在这种情况下，茶壶）没有做太多，你仍然在循环中占用CPU。

GTA中的50％cpu比演示中的30％更“高效”，因为它很可能没有做太多的事情;但是GTA正在更新大量的细节。即使在演示中添加“睡眠（10）”也可能会使它的CPU降低一吨。

最后看看GPU使用情况。该演示可能在现代视频卡上占据<1％，而GTA在游戏过程中可能会占多数。

简而言之，您的基准测量和测量结果并不准确。

Answer 14

DX茶壶演示没有使用30％的CPU做有用的工作。它忙着等待，因为它没有别的事情要做。

Answer 15

任何答案的核心都应该是这样 - 3D引擎执行的转换主要是在加法和乘法（线性代数）（没有分支或跳转）中指定的，绘图单个帧的操作通常在多个这样的add-mul的工作可以并行完成的方式。 GPU核心非常好添加add-mul，并且它们有数十或数百个添加模拟核心。

CPU留下了简单的东西 - 比如AI和其他游戏逻辑。

Answer 16

根据我对Unreal系列的了解，一些约定像封装一样被破坏。代码根据游戏编译为字节码或直接编译为机器代码。此外，对象以网格的形式呈现和打包，并且诸如纹理，光照和阴影之类的事物是预先计算的，而纯3D动画需要这样实时。当游戏实际运行时，还有一些优化，例如仅渲染对象的可见部分并仅在关闭时显示纹理细节。最后，视频游戏很可能是在给定时间内从平台中获得最佳效果（例如：Intelx86 MMX / SSE，DirectX，......）。

Answer 17

我认为这里缺少一个重要的答案。大多数答案都会告诉您“了解您的数据”。事实上，你必须以同样的方式和同等程度的重要性，也知道你的：

• CPU（时钟和缓存）
• 内存（频率和延迟）
• 硬盘（速度和寻道时间）
• GPU（#cores，clock及其内存/缓存）
• 接口：Sata控制器，PCI修订版等

但是，最重要的是，使用现有的现代电脑，你将永远无法以＆gt;＆gt;> 30ftp播放真正的1080p视频（64位的单个1080p图像需要15个000 Ko / 14.9 MB）。原因在于采样/精度。视频游戏永远不会对像素，图像，数据等使用双精度（64位），而是使用较低的自定义精度（~4-8位），有时使用插值技术重新调整精度较低，以便进行合理的计算时间。

还有其他技术，例如剪切数据（使用OpenGL标准和软件实现），数据压缩等。请记住，当前的GPU可以比当前CPU快300倍以上硬件能力但是，一个优秀的程序员可能会获得10-20倍的因子，除非您的问题得到完全优化并且完全可并行化（特别是任务可并行化）。

根据经验，我可以告诉你，优化就像指数曲线。为了达到最佳性能，所需的时间可能非常重要。

因此，为了回到茶壶，您应该看到几何体如何表示，采样以及Vs在GTA 5中看到的精度，几何/纹理方面，最重要的是细节（精度，采样等）。 ）