Minecraft渲染原理(2)

上回说到, 对世界的渲染被分包到了 WorldRenderer.render(MatrixStack ...) 这个函数. 这是一个将近 300 行的巨大函数, 再次展现了 ojng 招聘的员工素质.

992 行至 1005 行设置了 RenderSystem 内部的 shaderGameTime 值, 以备之后作为 uniform 上传给着色器; 对方块实体和实体渲染派发器进行了一些设置, 暂且略去不谈; 进行了一些光照更新, 这种更新只和游戏机制有关, 也不是我们所关心的.

1012 至 1023 行是某些关于调试视锥体的代码. 一般执行的分支是 1017 行的, 对正常的执行流毫无影响.

1025 至 1034 行是关于绘制天空和处理背景/雾效的代码. 鉴于正经光影包既不会用到原版天空也不会用到原版雾效, 我们也不关心这些代码的行为, 但作为我们碰到的第一段实际进行世界中物体的渲染的代码, 我们可以简单研究一下 renderSky 函数, 来挖掘 ojng 程序员惯用的编码模式.

以上是 WorldRenderer 的构造函数. 考虑到构造函数只执行一次, 而熟悉 OpenGL 的同学可能会认为渲染相关的逻辑需要每帧都执行, 函数体末尾三个 render*() 值得解释一下其作用. 以 renderStars() 函数为例:

容易看出, 这一函数的实际作用是填充了 this.starsBuffer 背后的顶点缓冲的内容.

通过搜索 starsBuffer 的用法, 可以发现正是 public void renderSky(MatrixStack...) 函数执行了星星和天空的绘制:

1630 行的 this.lightSkyBuffer.setShader(...) 看似只是进行了类似于 glUseProgram 的操作, 但实际上同时进行了绘制(glDrawElements), 惊不惊喜意不意外? yarn 有的方法命名还是比较有问题的 在后面的 getFogColorOverride 返回非空的东西时[1], ojng 当场造了个 buffer, 用 BufferRender 来现场渲染. 要复用这种不太变的 buffer 就坚持到底嘛.

此处还出现了一个在源码中很常见的类: BufferBuilder. 参考 private void renderStars(BufferBuilder buffer) 函数, 可以得到 BufferBuilder 的主要使用模式:

BufferBuilder 类本质上是对 ByteBuffer 的一个包装, 同时也是多个顶点数据和相关绘制参数构成的栈.[2]

  • bufferBuilder.begin()可以指定绘制模式和顶点格式, 并将 bufferBuilder 置于准备接受新一个几何体的顶点数据的状态.
  • bufferBuilder.vertex(x, y, z) 会将 x,y,z 的值按顺序写入内置的 ByteBuffer, 并将内部状态设置为对下一个元素写入
  • bufferBuilder.next() 则会告知 bufferBuilder 完成对当前顶点的写入, 适当调整内部 ByteBuffer 的容量, 并准备好写入下一个顶点.
  • bufferBuilder.end() 则结束对当前顶点数据的收集, 根据一定条件补充索引数据(即供 OpenGL 使用的 index buffer), 并将收集到的绘制参数(例如顶点数、绘制模式、顶点格式等)打包, 压入 bufferBuilder.parameters 中, 随后重置 bufferBuilder 的状态.
  • vertexBuffer.upload(bufferBuilder) 则会弹出栈顶的数据, 并上传到其对应的 OpenGL 顶点缓冲区中.

回到对 WorldRenderer.render 的分析上来.

1036 和 1038 行的代码是我们啃屎山的开始.

屎山: setupTerrain

WorldRenderer.render 中的第一座屎山叫 setupTerrain. 建议读者直接跳转到本节末尾阅读结论.

setupTerrain 函数首先检查了相比上一帧, 摄影机是否移动到了另一个 ChunkSection. ChunkSection 就是 大小的那个被一般玩家叫做区块的东西, 但 ojng 叫它 ChunkSection. 如果发生了移动, 则调用 BuiltChunkStorage.updateCameraPosition(x, z) 来对部分区块设置其 origin 成员(仿佛结果是 xz 的某种阶梯函数):[3]

随后通过调用 ChunkBuilder.setCameraPosition() 告知 chunkBuilder 摄像机的新位置. 这是为了帮助 chunkBuilder 进行诸如将区块按离摄像机的距离来排序的操作.

此函数中涉及到了多个 yarn 中未被赋予名字的变量和方法, 不妨在此处给出其 mojang 名以供参考:

obfuscated/yarn name type mojang name
WorldRenderer - net.minecraft.client.renderer.LevelRenderer
ChunkInfoList - LevelRendererRenderChunkStorage
field_34808 Future lastFullRenderChunkUpdate
field_34809 AtomicBoolean needsFrustumUpdate
field_34810 boolean needsFullRenderChunkUpdate
field_34811 AtomicLong nextFullUpdateMillis
field_34817 AtomicReference renderChunkStorage
field_34818 WorldRenderer.ChunkInfoList renderInfoMap
field_34819 LinkedHashSet renderChunks
method_34808 void method_34808(LinkedHashSet, ChunkInfoList, Vec3d, Queue, boolean); updateRenderChunks
method_38549 private void method_38549(Camera, Queue); initializeQueueForFullUpdate

如果相机相比上一帧移到了不同的 空间, 或者 needsFullRenderChunkUpdate 标记被设置时, 则进行一些与区块遮挡剔除相关的操作. 如果没有因为调试而固定使用某个此前捕获的视锥体来进行剔除 (!hasForcedFrustum), 且 lastFullRenderChunkUpdate 为空或者不是正在进行的, 则将以下操作提交到 MAIN_WORKER_EXECUTOR 线程上执行:

  • 初始化某个广度优先的 FIFO 队列, 即方法 initializeQueueForFullUpdate 的内容: 如果当前摄像机所在区块已经被渲染(可能需要换个词, 反正就是 this.chunks.getRenderedChunk(blockPos)!=null), 则将当前区块对应的 ChunkInfo 加入队列以作为广度优先的开始; 否则将视距内某个高度上所有已渲染的区块对应的 ChunkInfo 按从近到远的顺序加入该队列
    801
    802
    ArrayDeque<ChunkInfo> queue = Queues.newArrayDeque();
    this.method_38549(camera, queue);
  • 进行某种奇怪的广度优先操作, 即方法 updateRenderChunks 的内容: 从队列中取出一个 ChunkInfo, 将其放入 field_34817.get().field_34819, 并对其 6 个方向上邻接的区块进行某些神必的判断(可能是为了剔除掉例如 6 个方向上都被遮挡的区块), 更新其剔除状态(updateCullingState), 并计算其 propagationLevel 以便于调试的可视化; 最后在某些情况下将邻接区块放回队列, 并更新 field_34817.get().field_34818 对于该区块的值; 有时还把 WorldRenderer.field_34811 设置到 500 毫秒以后, 以规划一次完整的遮挡剔除运算
    803
    804
    class_6600 lv = new class_6600(this.chunks.chunks.length);
    this.method_34808(lv.field_34819, lv.field_34818, vec3d, queue, bl2);
  • 最后将以上结果填充到 field_34817 中, 并设置 field_34809 以表明有新的剔除结果可用.

提交以上任务后, 渲染线程立即调用 field_34817.get(), 以得到此前已有的任务结果. 如果 builtChunks 非空, 则从 builtChunks 选取 field_34817.get().field_34818 中存在的区块加入到另一个队列中, 然后再重复 method_34808 的操作.

最后, 在转动视角或有新鲜的剔除结果(field_34809 被设置)时, 通过调用 WorldRenderer.applyFrustum(), 将 field_34817 内所有包围盒与视锥相交或者在视锥体内的区块加入 WorldRenderer.chunkInfos 中.

总的来看, setupTerrain 函数的主要功能是对区块进行遮挡剔除和视锥剔除; 如此复杂的函数笔者不想用心读, 写出来的东西读者也不忍心看, 想必 ojng 的程序员也不想用心维护, 难免有几个 bug .[4]

屎山: updateChunks

上一座屎山 setupTerrain 函数过滤过的区块被加入了 WorldRenderer.chunkInfos, 因此这座屎山就继续对 WorldRenderer.chunkInfos 的内容进行遍历. 只有在某个区块既带有 needsRebuild 标记(即满足 builtChunk.needsRebuild())且 WorldRenderer.world.getChunk(chunkPos.x, chunkPos.z).shouldRenderOnUpdate() 时, 才会继续对其处理. 对于被处理的区块, 以下行为将发生:

  • 在客户端选项里的 chunkBuilderMode 是邻近(ChunkBuilderMode.NEARBY)时, 带有 needsImportantRebuild 标记或者离摄像机距离小于 的区块会在渲染线程中立即被同步地重建(rebuild).
  • 在客户端选项里的 chunkBuilderMode 是受玩家影响的(ChunkBuilderMode.PLAYER_AFFECTED)时, 只有带有 needsImportantRebuild 标记的区块会立即被同步重建.
  • 以上的同步重建完成后会清除 needsRebuild 标记和 needsImportantRebuild 标记, 以避免重建重复发生; 重建完成时一个上传重建结果至显存的任务将被添加到 WorldRenderer.chunkBuilder 内部的上传队列 uploadQueue
  • WorldRenderer.chunkInfos 完成遍历后, uploadQueue 将被执行直至清空.
  • 不满足以上重建条件的区块会被收集起来, 丢进 WorldRenderer.chunkBuilder 内部的重建队列 prioritizedTaskQueuetaskQueue 里异步重建, 重建完成时上传重建结果的任务同样将被添加到上传队列; 在提交重建任务后, 重建相关标记也会被清除.

区块重建任务最终会调用 ChunkBuilder.BuiltChunk.RebuildTask.render 函数, 以收集方块/方块实体的信息, 构建区块的顶点数据, 并写入不同的 RenderLayer 的缓冲区中:[5]

在完成区块剔除/区块更新和上传顶点缓冲区后, 各 RenderLayer 对应的顶点缓冲区就准备好绘制了. WorldRenderer.renderLayer(RenderLayer, MatrixStack, double, double, double, Matrix4f) 是具体执行此类绘制的函数. 欲知后事如何, 且听下回分解.


  1. 1.似乎是渲染日出和日落的时候覆盖掉大气雾时使用的网格
  2. 2.szszss的博文中对常常与BufferBuilder一起出现的Tessellator的来源进行了解释,即试图模拟OpenGL立即模式的惯用法.
  3. 3.剧透一下,origin成员会与相机位置进行加减之后作为chunkOffset这一uniform变量传递给着色器,并加到顶点的位置上来获得真正的世界坐标.
  4. 4.一般的实践是利用上一帧的深度缓冲,与各区块的包围盒的深度进行比较,bug少不说,程序员写着也舒服.
  5. 5.RenderLayer可以理解成需要不同的渲染方式的物体构成的集合,例如SOLID是完全不透明的方块,CUTOUT是有镂空部分的方块,CUTOUT_MIPPED是带有mipmapping的前者,TRANSLUCENT是半透明的方块.详见这里.