針對人眼優化遊戲圖形

如何減少延遲並提高遊戲速度

作者塞巴斯蒂安·讓 | 2021 年 3 月 29 日 | 全部, 消費者, 遊戲

自從電腦變得越來越小、越來越便宜，足以在我們家裡佔有一席之地以來，可以公平地說，我們與它們互動的大部分時間都是通過遊戲來進行的。自 Pong 和 Space Invaders 的早期以來，遊戲開發人員已經了解了很多有關優化圖形的知識。我們現在期望快速、逼真的逼真遊戲體驗。

然而，儘管最近在互聯網速度、硬件容量和計算機圖形方面取得了所有進步，但我們仍然會對圖形渲染和遊戲玩法中的少量固有滯後感到沮喪。

人類如何看到

為了改進圖形的渲染方式，GPU 供應商研究了人類視覺的工作原理。雖然我們的視野大約有 120 度，但我們只能在視線聚焦的兩側中間 5 到 7 度處看到清晰的細節。我們的周邊視覺中遠處的一切都是模糊的，遠處的物體在我們的眼睛看來不太清晰。這意味著遊戲可以利用遠處物體的較低分辨率紋理，為更近的物體留下更多可用資源，並提高整體視覺真實感。

與觀眾的視線相對靜止的電影和電視節目不同，遊戲玩家不斷地將注意力轉移到屏幕上，以專注於當時最重要的遊戲動作。玩家在探索風景、解開謎題或爆破目標時必須專注於關鍵的遊戲元素。

了解當物體在焦點中心和周邊視覺之間移動時如何渲染物體是遊戲開發人員可以進一步優化圖形的另一個領域。採用優先級渲染方法可以讓 GPU 突破現實主義的界限，同時管理產品成本和功耗。

優化圖形的具體細節

為遊戲渲染逼真的實時圖形是一項占用大量資源的任務。開發人員可以利用人類視覺的怪癖來實現優先渲染。下一步是通過利用讀取優化的文件系統（例如 DirectStorage）來減少開銷。

開發人員可以通過將壓縮形式的遊戲文件存儲在 SSD 上並在 GPU 上解壓縮來提高 GPU 的有效帶寬。儘管這一改進不會改變 PCIe、DRAM 或 SSD 帶寬，但由於通過壓縮減少了傳輸的總位數，因此有效速度得到了提高。這意味著壓縮文件將更快地到達 GPU，並且可以為下一個遊戲任務提供更多帶寬。

如果遊戲質量從未提高到我們今天所看到的水平，那麼開發人員可能會就此止步。儘管按照這種邏輯，我們可能應該在 1972 年 Atari 發布 Pong 後停止開發遊戲。遊戲開發者一直在突破技術的極限，以提供改進的遊戲性能和真實感。這意味著遊戲總是會變得越來越大，但將所有數據放入 CPU 或 GPU DRAM 會顯著增加整體系統成本。

1 GB 內存的 DRAM 成本為 $4 至 $5，而 SSD 的成本僅為 $0.12 至 $0.20。雖然 SSD 並不是 DRAM 的直接替代品，但最新的第 3 代 SSD 提供 3.5 GB/s 的帶寬，第 4 代 SSD 現在可以達到 7.4 GB/s。控制台開發人員正在推動業界將 SSD 視為可以輔助 DRAM 的 L4 或 L5 緩存。這種方法允許遊戲開發人員繼續優化圖形，同時管理系統熱負載並保持成本合理。

減少延遲的重要性

遊戲開發者還需要嚴格的延遲控制。偶爾需要幾毫秒才能完成的讀取命令不會影響遊戲工作負載，但會在遊戲過程中導致可見的紋理故障。由於遊戲大小，使用 PC DRAM 作為紋理緩存不再可行。在遊戲過程中，GPU 會不斷加載和刪除紋理，這意味著 SSD 驅動器的空閒時間非常少。當玩家在場景中移動時，遊戲可能需要每分鐘獲取相同的紋理數千次。

這種增加的訪問模式給 NAND 帶來了額外的壓力，因此 SSD 必須執行更多的數據刷新操作，這會增加驅動器上的間接寫入次數。更多的內部寫入意味著更高的 SSD TBW（太字節寫入）耐用性要求，儘管這些可以通過內部預留空間來抵消。缺乏空閒時間意味著所有這些額外工作必須與主機 IO 交錯進行，而不會產生顯著的命令完成延遲峰值。

遊戲工作負載非常劇烈，需要許多額外的內部操作才能保持遊戲數據無錯誤。如果我們將工作負載比作汽車，標準 SSD 就像家庭 SUV，而遊戲 SSD 則更像高性能跑車。兩款車的時速均可達到 100 英里/小時，但與跑車一樣，經過遊戲調校的 SSD 將支持更具侵略性的駕駛風格。