针对人眼优化游戏图形

如何减少延迟并提高游戏速度

作者塞巴斯蒂安·让 | 2021 年 3 月 29 日 | 全部, 消费者, 游戏

自从电脑变得越来越小、越来越便宜，足以在我们家里占有一席之地以来，可以公平地说，我们与它们互动的大部分时间都是通过游戏来进行的。自 Pong 和 Space Invaders 的早期以来，游戏开发人员已经了解了很多有关优化图形的知识。我们现在期望快速、逼真的逼真游戏体验。

然而，尽管最近在互联网速度、硬件容量和计算机图形方面取得了所有进步，但我们仍然会对图形渲染和游戏玩法中的少量固有滞后感到沮丧。

人类如何看到

为了改进图形的渲染方式，GPU 供应商研究了人类视觉的工作原理。虽然我们的视野大约有 120 度，但我们只能在视线聚焦的两侧中间 5 到 7 度处看到清晰的细节。我们的周边视觉中远处的一切都是模糊的，远处的物体在我们的眼睛看来不太清晰。这意味着游戏可以利用远处物体的较低分辨率纹理，为更近的物体留下更多可用资源，并提高整体视觉真实感。

与观众的视线相对静止的电影和电视节目不同，游戏玩家不断地将注意力转移到屏幕上，以专注于当时最重要的游戏动作。玩家在探索风景、解开谜题或爆破目标时必须专注于关键的游戏元素。

了解当物体在焦点中心和周边视觉之间移动时如何渲染物体是游戏开发人员可以进一步优化图形的另一个领域。采用优先级渲染方法可以让 GPU 突破现实主义的界限，同时管理产品成本和功耗。

优化图形的具体细节

为游戏渲染逼真的实时图形是一项占用大量资源的任务。开发人员可以利用人类视觉的怪癖来实现优先渲染。下一步是通过利用读取优化的文件系统（例如 DirectStorage）来减少开销。

开发人员可以通过将压缩形式的游戏文件存储在 SSD 上并在 GPU 上解压缩来提高 GPU 的有效带宽。尽管这一改进不会改变 PCIe、DRAM 或 SSD 带宽，但由于通过压缩减少了传输的总位数，因此有效速度得到了提高。这意味着压缩文件将更快地到达 GPU，并且可以为下一个游戏任务提供更多带宽。

如果游戏质量从未提高到我们今天所看到的水平，那么开发人员可能会就此止步。尽管按照这种逻辑，我们可能应该在 1972 年 Atari 发布 Pong 后停止开发游戏。游戏开发者一直在突破技术的极限，以提供改进的游戏性能和真实感。这意味着游戏总是会变得越来越大，但将所有数据放入 CPU 或 GPU DRAM 会显着增加整体系统成本。

1 GB 内存的 DRAM 成本为 $4 至 $5，而 SSD 的成本仅为 $0.12 至 $0.20。虽然 SSD 并不是 DRAM 的直接替代品，但最新的第 3 代 SSD 提供 3.5 GB/s 的带宽，第 4 代 SSD 现在可以达到 7.4 GB/s。控制台开发人员正在推动业界将 SSD 视为可以辅助 DRAM 的 L4 或 L5 缓存。这种方法允许游戏开发人员继续优化图形，同时管理系统热负载并保持成本合理。

减少延迟的重要性

游戏开发者还需要严格的延迟控制。偶尔需要几毫秒才能完成的读取命令不会影响游戏工作负载，但会在游戏过程中导致可见的纹理故障。由于游戏大小，使用 PC DRAM 作为纹理缓存不再可行。在游戏过程中，GPU 会不断加载和删除纹理，这意味着 SSD 驱动器的空闲时间非常少。当玩家在场景中移动时，游戏可能需要每分钟获取相同的纹理数千次。

这种增加的访问模式给 NAND 带来了额外的压力，因此 SSD 必须执行更多的数据刷新操作，这会增加驱动器上的间接写入次数。更多的内部写入意味着更高的 SSD TBW（太字节写入）耐用性要求，尽管这些可以通过内部预留空间来抵消。缺乏空闲时间意味着所有这些额外工作必须与主机 IO 交错进行，而不会产生显着的命令完成延迟峰值。

游戏工作负载非常剧烈，需要许多额外的内部操作才能保持游戏数据无错误。如果我们将工作负载比作汽车，标准 SSD 就像家庭 SUV，而游戏 SSD 则更像高性能跑车。两款车的时速均可达到 100 英里/小时，但与跑车一样，经过游戏调校的 SSD 将支持更具侵略性的驾驶风格。