关于实时渲染和图形API的一些学习资料收录

TheLudGamer · 发表于 2022-1-18 09:52

事情的起因是发现很多平台上有人以小半万的高价卖图形API实现简单实时渲染器的入门课程，个人觉得不值，并且和我崇尚开源精神的理念大悖特悖。这里为一些入门的新同学推荐一些真正方便学习入门的、Step By Step的资料收录。
一些分析和建议

首先要知道一个实时渲染器，比较典型的是游戏引擎中的那些，是由以下几部分工件组成的：

RHI/HAL（硬件抽象层，对应D3D12和Vulkan这些图形API）
渲染管线/渲染器（算法，统括PBR和后处理等流程）
材质系统（对渲染器调度的一种上层抽象，旨在让人类调参，控制渲染器有序高效地渲染）
场景黑板（和场景信息的桥梁，如果不是游戏项目的话，可能会直接使用fbx之类的通用表示格式）

新人入门，首要关注的是上面标黑的两项。一般来说，无论如何都建议从API起手，因为类比作画，你首先需要学会用笔。笔有很多种，有趁手的也有比较难用的，它们各自存在历史积淀产生的包袱。总体来说常用的有如下几种：

OGL：非常老的API，包袱重。如果想做手机端，可以用GLES，相对来说干净很多；
D3D11：状态API，有非常强大完善的驱动支持，易用并且性能非常高。并且有延迟状态模式，和D3D12很多情况下打的有来有回；
D3D12：命令机式的API，完全异步的操作模式，开始把GPU作为异步硬件的更多细节呈现给程序员，难用；
Vulkan：同上，但是全平台。因为没有D3D那么多的包袱，设计更加符合GPU行为。但加入了很多TBD/TBR概念，且信号量复杂，更加难用；
Unity SRP：资料比较多，HLSL Shader，相对好用；
UE4 RHI：地狱模式，不推荐打工人以外的任何人使用或是学习。

这里列出的几种笔，对于入门选手来说，明智的选取其中一个可以大大降低学习成本。

如果你想首先关注图形算法，实现漂亮的效果：请使用D3D11或者Unity SRP进行入门，这两个API都可以在一周内快速上手。如果你有web和js基础，three.js也是好选择；
如果你关注GPU的执行模式，想深究硬件的调度：请选择Vulkan，次选D3D12。你需要一个月或者更久来摸清楚GPU的套路，并且在这之后仍然需要研读大量的资料来理清驱动和硬件的关系；

上面属于我个人的一些建议，下面一步步地拿出各种资料带你从入门走向深入。包你认真跟完写完可以找到工作，不需要被割5XXX。最好有一定的英文阅读能力，但是在现在，中文资料已经不少，所以我会尽量推荐中文资料来减小理解难度。
看完入门系列可以亲手写出一个不错的渲染器。下面链接转载如果侵犯版权，请立即联系我删除。
入门 - API

在这个阶段你可能没法啃动别人的代码，需要通过阅读一些书籍来跨过第一个门槛。
OGL

虽然OGL是老API，但是它也包含了渲染管线内的完整状态。对于新人了解GPU的几何管线，已经完全足够。
推荐所有人阅读且跟着实现一遍。这本书可以说是实时渲染入门的最佳材料，如果你足够拼的话一周可以跟完。其内容丰富文字扎实，用到例程代码带注释甚至逐句讲解。不用担心包袱重的问题，它专为初学者引入了GLFW等易用辅助库，教程中的代码清晰简洁。

目录清晰明了

看这本书一遍，你会对API、渲染器、场景有基本的认识。如果你是大三学生想找个实习，只要敢说把这本书吃透，请你在今年春招迅速把简历交给我。
D3D11

下面这个教程，原链在油管。
同样非常详细、完整、清晰，教程中引文论据，很有逻辑。并且不是纯文字，符合一些人听课的习惯。

D3D12

推荐通过龙书入门，因为我到现在没能发现比起龙书更加详尽科学的资料了。很多教程/课程，几何管线都讲不明白，更不要提D3D12里面的那些异步信号，资源栅栏乃至资源布局了。

有中文译本，译者很有经验，翻译直接、准确、老辣，在脚注补充了非常大量的信息，并且便宜。
还有 @佛罗伦萨的木笛木笛聚聚提供的下面的博客资料。点进去通读一番，图文并茂很容易阅读，对新人易迷惑的概念做了加强解释。感受育碧力量！
这里补充一句，D3D12本身存在相当的复杂性和颠覆性，即使是UE4和SRP也都没能很好地对它做出抽象（vk更甚）。这两个引擎都付出了几年的时间，但它们的D3D12后端效率、BUG率以及可维护性依然都是比较差的。
龙书对这些复杂的概念无一不做了过程化的、细致但简明的解释。龙书的三角形demo不拖泥带水也不过分省略。实际生产环境下D3D12各种特性检查和功能层开启的状态下一个三角形可以写两千行以上，但龙书带上窗口创建和timer等也只有小几百行。它是最适合初学者的三角形。
任何号称比此书更简单上手的说法都是不现实的。要想上手没有捷径，请反复读，配合GPU架构反复琢磨，因为从这里开始GPU就是这么复杂。
Vulkan

VulkanTutorial可以带你创建一套完整的光栅化管线流程。评论区带有不少信息，对新手常见的问题覆盖全、表达清楚、起效快，可以自行观看答疑解惑。
它的源码和shader同样是附在网页上的，可以去看。该教程基本上是Step By Step的理念，每多写几行代码都会开一个小节，向你详尽地解释背后发生了什么。
下面 @wicast C 大佬的回答展示了他学习vulkan的路线，留下了大量资料，很有参考价值。
GAMES101/202

没什么好介绍的，业界大牛，公开课，完全免费。和培训机构网课机构孰优孰劣自己判断。
但是如此宝贵的资源烦请仔细阅读，跟着实现。有一些基础会更好让你独立实现。这也是我放在最后的原因。有太多囫囵吞枣看完就投简历，结果一问三不知，只会说自己看了101/202的人了。
入门 - 算法

首先你必须要对高等数学中积分的概念有认知（微分可以暂时不看，因为辐照领域很少再进行向下微分了）。其次你要对线性代数有基本的认知，最好系统地学习一遍。这也是一种劝退，如果你搞不定这两样，烦请做其它内容。渲染，至少是算法并不适合你。
算法的入门，建议对上述的API中至少一个完成了解再进行。算法部分首先要了解最基本的那些光照模型，以及最基本的PBR相关内容。在LearnOpenGL中你都可以学到：
上述内容学完，你已经算是入门了。下面我们会探讨地更深入一些。
更深入地认识API/GPU

如果你和我一样对GPU的深入调度感兴趣，那请你先回过头去完成Vulkan/D3D12的深入学习，当然这个过程中你会学到很多进阶的GPU特性。
首先，如果你是桌面开发者，请通读nv和amd的GPU spec。这不仅可以帮助你学习优化相关内容，更可以辅助你理解驱动和硬件的一些行为模式：
AMD的GPU设计都是开放的，可以在docs下找到rdna架构GPU的硬件设计、完整命令集和指令集。
之后这里推荐的一些资料有：

Vulkan Samples

LunarG的官方例子集，囊括了几乎所有你能想到的GPU通用特性，并且附有一本书来对其中的每个例子进行完全深入的讲解。

DirectX-Graphics-Samples

微软的官方特性集实例，入门三角形后想要尝试新特性者可以读阅的最佳例子。

Awesome D3D12/Vulkan

所有开源界最优秀的D3D12/Vulkan仓库集中在这里，挑选感兴趣的阅读即可。
一些知乎文章也可以辅助理解这些API，同时知乎是个免费开放的平台，大家都欢迎新的活跃者和交流者。
更深入地理解渲染算法

在刚开始探究的阶段，有一些文章的辅助会让你入门更快一些。但是归根结底，转述存在歧义。要想搞清楚某样东西，请回溯到最初的原paper/原实现。例如如果你要研究迪士尼PBR，请务必配备BRDF Viewer，并直接阅读其中的shader：
很多开源渲染器中有非常优秀的算法实现，这里暂时只推荐一个filament：
它的文档是个宝库，看完你就是静态渲染器大师了。
如果你对骨骼动画/毛发模拟什么的感兴趣，可以去看The-Forge里面的例子，点击即可运行，应有尽有：
在这些资料之外，有一些民间的讨论/文章/材料，可以辅助理解，也可以促进交流，加强乐趣。知乎上的一些文章，首先是推荐我的：
推荐我自己的这篇文章，主要是内部引用非常多，资料十足。看完之后对PBR和TAA会有比较好的一个了解。
更加全面的是：
不麦课的麦老师的早期文章，囊括了TAA、VT、地形、GI、Decal、BindlessResources、Indirect Draw / Dispatch。。。。各种后效应有尽有。当然，提到Effect，那么你最不能错过的是蛙蛙的：
实现了绝大部分Deferred流程中常见的现代Effect，并且代码绝对清晰绝对易读，因为它是一个数千行的顺序大函数（我们每天都吐槽，这简直是渲染教学完美范板）。。。。。里面的大部分效果都有对应的文章：
效果非常棒：

总之

看完上面的东西，只能说算是入门水平，我本人也是在专业领域的门槛不远处。看了上面这些东西你也知道，学习图形学，制作渲染器，需要大量科学的、稳健的积累，需要有一颗保持热忱的心。
多交钱并不能快速让你变强，更不要说你的钱换来的例子并不见得比开源社区的优秀。尤其是如果你还在读大学，大家都清楚拿出几千元不是一件容易的事。我也是大学时代自己买各种培训课学习走出来的，花费不在少数。抱着对游戏开发的热忱，从材质着色器到特效到Gameplay我都有尝试过，其中贵且质量好的不在少数（由于此文保证与任何金钱利益无关，我无法在这里推荐出来）。但现在图形API领域，确实没有好的付费中文教程。
我很自信地告诉大家，目前中文社区，我们开源人分享的资料，就是最好的！
这里感谢开源让学习变成一件如此简单开放并且活跃的事情。正因为热爱这个行业，所以我们要站出来为大家带路。对我个人而言，这么多如海的资料，现代甚至次世代的实现，完全没有掏腰包被宰的道理。学习需要的是持之以恒，切忌头脑发热，伤了钱包又伤了感情。

Arzie100 · 发表于 2022-1-18 09:54

少了一个史诗级的保姆文礼老师

Zephus · 发表于 2022-1-18 09:58

推荐一下我们项目组前3D Lead的blog：Reader Question Answered 1 - Learning D3D12

super1 · 发表于 2022-1-18 10:06

To读者：如果你想看d3d12或者vk中某一个api的精细入门点解，请在评论区回复投票一个哦。最近可能会抽出时间对票数高的那个写一个阶段式的入门教程！如果你有api的问题也欢迎在评论区留言提问喔。欢迎讨论！[抱抱]

jquave · 发表于 2022-1-18 10:16

推荐一个学习vulkan的好项目：AMD的fidelityFx，可以跟着sssr走一遍，这个项目可以视作是UE4的简化替代版本，更方便一目了然的搞清楚各个render pass是如何互相搭配工作的

kirin77 · 发表于 2022-1-18 10:21

再再补充几句
学习FidelityFx的项目，需要：
1.pbr流程的shader ：要看veach 1997论文 chap.4，用有界线性泛函处理render equation的方法非常精彩，里面一个副产品直接解释了为何计算render equation要解无数次积分
3.Sssr流程的shader ：这个需要去看EA2015年的ppt
4.Compute shader的语法：需要微软的spec
5.Sample和denoising ：很新的2篇论文

这个是偏向数学系出身的初学者的学习过程，或者求知欲比较强，不满足只会调用几个API写个sample就满足的人，其中每个过程都可能会被卡住一段时间，整套流程下来大约需要1-2个月的业余时间，基本上看完这些之后现代图形学的一些基石性的知识就算是入门了，在这之上学习API会更加简单一些

麻烦作者帮忙推荐到第一个回复下面，谢啦~

NoiseFloor · 发表于 2022-1-18 10:27

笔芯

stonstad · 发表于 2022-1-18 10:33

笔芯

xiaozongpeng · 发表于 2022-1-18 10:34

笔芯

super1 · 发表于 2022-1-18 10:36

这波啊，这波是homo对社区的回馈[爱]

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