[心得] 遊戲的"縮水" 與 TLOUR的平行運算技術

[cjcat2266 (CJ Cat)]

不少遊戲初期公布的實機技術demo與最終成品有明顯畫質落差，為什麼?
本文將藉由說明在初期技術展示與最終成品階段的技術差別，來回答這個問題
順便介紹一些The Last of Us Remastered (PS4)壓榨硬體資源的技術

簡而言之：遊戲最終成品，通常所需運算資源種類與量，會比初期技術展示多

一個AAA遊戲成品在實機執行的時候，運算資源大致分配給以下幾項作業
  1. 遊戲機制(CPU)
  2. AI(CPU)
  3. 物理(CPU and/or GPU)
  4. 動畫(CPU)
  5. 粒子(CPU and/or GPU)
  6. 繪圖邏輯(CPU)
  7. 繪圖執行(GPU)

初期實機技術demo，通常不會有多少1/2，可能會有3
4不會像最終成品消耗CPU與記憶體
所以大部分的運算資源都可以用在5/6/7
不要小看1/2/3消耗的資源量
這幾項在最終成品的資源消耗可以佔到CPU的50%以上
所以4/5/6/7能夠使用的硬體資源(粗估)只剩下初期技術demo的50%

如果在製作初期實機技術demo的時候
把100%硬體資源拿來展現4/5/6/7
那麼後來新加入1/2/3的資源消耗，勢必會產生"視覺上縮水"的情況
為了初期吸引觀眾目光，這幾乎是必然的結果

這樣是否表示AAA遊戲開發者不誠實? 見仁見智
不管是初期技術展示還是遊戲成品，硬體資源一定是幾乎被榨光的
製作初期demo的時候是否可以估計到之後會額外用到的資源? 非常難
不管是哪家工作室，應該都不想只用50%以下的硬體資源做技術展示demo吧

我個人是有了以上的認知之後
看到初期技術demo與最終成品的畫質落差
雖然會失望，但覺得比較可以接受這個事實了





接下來介紹TLOUR的一些壓榨硬體資源的技術
之前有提到，Naughty Dog為了從PS3跨到PS4
重新設計了一個平行運算的系統
負責人Christian Gyrling於今年GDC有個專題講座
強烈推薦給有興趣的資工領域朋友
  影片連結   http://bit.ly/1eX5mb1
  投影片連結 http://bit.ly/1HgtGQ9

TLOUR的硬體資源配置，可分為以下三種

  1. 遊戲邏輯(CPU) 包含：遊戲機制、AI、物理、動畫、粒子
  2. 繪圖邏輯(CPU) 生成繪圖指令，丟給GPU執行
  3. 繪圖執行(GPU) 執行2生成的繪圖指令









一個單執行序的遊戲
1/2/3是串在一起，在同一個frame內線性依序執行的
如果要達到60fps，那1/2/3總共的運算時間就不可以超過16ms

  <A方案>

  CPU   遊戲邏輯 -> 繪圖邏輯
  GPU                        -> 繪圖執行
        |------------------------------|
                      16ms












PS4有八個CPU核心，有六個是給遊戲使用的
把1/2平行化，拆給不同CPU核心執行
如此一來，1/2如果需要總共48ms執行時間，理論上只會用到8ms

  <B方案>

  CPU1  遊戲邏輯1 -> 繪圖邏輯1
  CPU2  遊戲邏輯2 -> 繪圖邏輯2
  CPU3  遊戲邏輯3 -> 繪圖邏輯3
  CPU4  遊戲邏輯4 -> 繪圖邏輯4
  CPU5  遊戲邏輯5 -> 繪圖邏輯5
  CPU6  遊戲邏輯6 -> 繪圖邏輯6
  GPU                          -> 繪圖執行
        |--------------------------------|
                        16ms







但這還是不夠理想，CPU忙的時候GPU閒著，GPU忙的時候CPU閒著
開發AAA遊戲的精隨就是要最大幅度使用硬體資源啊!

那如果把遊戲邏輯在frame0生成的資料，暫存在記憶體
繪圖邏輯在frame1的時候用這些資料生成繪圖指令，交給GPU繪圖執行呢?
把遊戲邏輯和繪圖邏輯切成小塊，交互執行
所以感覺上遊戲邏輯和繪圖邏輯"同時"在一個CPU核心上執行

  <C方案>

  CPUn  遊戲邏輯n (生成frame1資料)
        繪圖邏輯n (使用frame0資料)
  GPU             -> 繪圖執行
        |-------------------|
                 16ms







嗯，光是視覺看來，就已經能夠更有效率地使用硬體資源了
但是CPU和GPU還是各有自己的閒暇時間，不行!
那如果更進一步，繪圖執行使用的資料，是繪圖邏輯上一個frame產生的呢?

  <D方案>

  CPUn  遊戲邏輯n (生成frame2資料)
        繪圖邏輯n (使用frame1資料，生成frame0資料)
  GPU   繪圖執行  (使用frame0資料)
        |-------|
          16ms

好了，CPU和GPU已經最大幅度使用，閒不下來啦
這個D方案就是TLOUR使用的技術

缺點就是，畫面是GPU使用兩個frame以前的舊資料呈現出來的"老畫面"
所以TLOUR是有兩個frame的延遲時間的
當玩家看到畫面上，準心瞄準敵人的頭時
從遊戲邏輯的觀點來看，敵人的頭可能已經不在準心下了
TLOUR彈藥普遍稀少，為了補償玩家，在射擊的時候
只要在過去兩個frame中有瞄準到目標，就算是判定擊中

D方案不是唯一解或最佳解，一切端看開發者考量
The Order: 1886採取的方式類似B方案(有將作業切小塊和生產線處理)
因為Ready at Dawn工作室明確表態，說不想要讓遊戲有任何延遲
所以如果他們願意採用D方案，The Order: 1886可以衝到60fps也不一定?

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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 45.50.175.11
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/GameDesign/M.1433725304.A.F8C.html
※ 編輯: cjcat2266 (45.50.175.11), 06/08/2015 09:17:31
推 yearnway: 謝謝分享~~又學到一些東西了~~
推 yhn0tgb60: 過去2個frame有擊中都算 所以邏輯資料會保留2個frame囉
→ yhn0tgb60: 這樣會對記憶體造成負擔嗎 或是其實資料量很少  沒影響
→ cjcat2266: 既然遊戲生得出來，就表示記憶體可以負擔吧XD
→ cowbaying: 如果GPU的時脈拉到2GHz以上我推測可以用來算AI
→ cowbaying: 遊戲這種hard real time運算  對於平行後的資料蒐集
→ yhn0tgb60: 我的想法是 通常這個frame的資料出來時
→ cowbaying: 是相當嚴苛的...
→ yhn0tgb60: 上個frame的資料應該就丟了 甚至釋放了
→ yhn0tgb60: 所以這作法 必須保留3個frame 的資料
→ cowbaying: 或許是硬體特性的問題  目前開發的HSA項目
→ cjcat2266: 當然不是所有資料全保留啊，只保留繪圖相關資料而已
→ cowbaying: 在GPU時脈800Mhz下  簡易四則運算的回應時間是
→ cjcat2266: 我們已經三個人在平行發言了XD
推 cowbaying: 1000~5000ns  比CPU慢了約100倍
推 cowbaying: XDDDDDD
→ cowbaying: 這就是沒有ordered的關係
推 cowbaying: 但是兩個frame的延遲我認為算很嚴重了  至少競技類
→ cowbaying: 的遊戲應用起來很困難
→ cjcat2266: 頑皮狗做的遊戲都是單人線性劇情走向，所以沒問題的XD
推 akilight: 不過TLOU和uncharted不是都有多人對戰嗎?
→ akilight: 對人對戰的部份也是用這種2 frame方式處理,還是改以反應
→ akilight: 速度為優先考量呢?
→ cjcat2266: 是使用同一套系統，畢竟射擊遊戲的被攻方錯誤容許度高
→ cjcat2266: 攻方如果發現有瞄準到的敵人沒有攻擊判定，會很明顯
→ cjcat2266: 而被攻方受到攻擊判定，也就只能認了
→ cjcat2266: 一般也不會覺得 "明明自己躲過瞄準了，怎麼還被打到?"
→ cjcat2266: 因為被攻方也看不到攻方的準星是否有瞄到自己
推 akilight: 了解XD
推 wyvernlee: 專業文!
推 holymars: 試著回答記憶體的問題:通常邏輯部份並不佔多少記憶體
→ holymars: 理論上，多存兩個frame的邏輯狀態並不會增加多少記憶體
→ holymars: 需求，至少和texture/audio之類動不動就上百MB比起來是
→ holymars: 很小的問題
→ cjcat2266: 也不用存邏輯狀態，只要存繪圖需要的transform就好
推 azureblaze: 記憶體幾乎就是texture的意思了 其他比起來都是渣XD
推 lemmii: 推好文
※ 編輯: cjcat2266 (160.33.43.15), 06/09/2015 01:01:44
推 wangm4a1: 推
推 yoyoleo0505: 推
→ yhn0tgb60: 邏輯資料的記憶體 的確是非常小沒錯
→ yhn0tgb60: 只是想到 videogame的記憶體也是寸土寸金 XD