为微型掌机打造微型 3D 渲染器

Cristina Ramos 分享了她为 Playdate 掌机开发 3D 软件渲染器的技术历程。Playdate 是一款性能有限、采用单色屏幕的掌机，开发者最初并不确定在该平台上实现 3D 效果的可行性。

初期测试与性能基准

为了测试设备的 3D 处理能力，开发者编写了一个简单的射线投射程序。这个测试主要用于评估浮点数运算、向量数学、内存操作以及屏幕绘制的速度。由于 Playdate 的屏幕分辨率低且是 1 位单色显示，内存开销较小，这为实现类似 3DO 或世嘉土星时代的 3D 效果提供了可能。

Playdate 没有内置的 GPU，所有 3D 渲染工作必须完全依赖 CPU 完成。这意味着开发者需要手动处理多边形顶点变换、投影、裁剪、排序、着色以及将像素写入帧缓冲，且必须保证足够的帧率以实现流畅游玩。

采用 BSP 地图格式

渲染器加载的是 Quake 的 BSP 地图文件。选择这种格式的原因有两个：

1. 开发者可以直接利用 TrenchBroom 和 ericw-tools 等成熟的关卡编辑器和编译工具，节省大量开发时间。

2. BSP 格式（二进制空间分割）通过预计算可见性集合（PVS）来优化渲染。在运行时，渲染器能快速剔除摄像机看不到的地图部分，大幅减轻 CPU 负担。

深度缓冲与纹理映射

开发者最初尝试使用从后往前绘制的画家算法，但最终决定加入 16 位倒数深度缓冲（z-buffer）。这种方式在靠近摄像机的地方精度更高，能有效解决物体遮挡问题，并简化了动态物体和透明纹理的处理。

在纹理映射方面，开发者放弃了仿射纹理映射（会导致纹理扭曲），而采用了透视校正纹理映射。为了平衡性能和效果，渲染器每隔几个像素计算一次完整的除法，中间像素则使用快速近似算法。

1 位显示器上的光照处理

Playdate 屏幕只有黑白两色，无法直接显示灰色。开发者通过抖动算法（Dithering）来模拟中间色调，使用 8x8 的拜耳矩阵根据亮度阈值决定像素是黑还是白。

为了避免图像过于混乱，开发者借鉴了《奥伯·丁的回归》和《街头涂鸦》的视觉风格，选择了单色赛璐珞着色效果。这种风格带有强烈的轮廓线和简单的纹理，极大地提升了画面的可读性和独特性。

针对 CPU 的深度优化

为了在 Playdate 上获得理想性能，开发者采取了多项优化措施：

• 编译器选项：针对 Cortex-M7 CPU 进行特定调优，启用硬浮点运算（Hard-float ABI）和激进的优化标志（-Ofast），并剔除不必要的二进制元数据。

• 指令集优化：使用 ARM Cortex-M7 汇编语言编写了自定义的 floor、ceil、sqrtf 和 fabsf 等浮点运算函数。

• 半分辨率渲染：内部渲染分辨率为 200x120，然后缩放到 400x240 的屏幕上。这是提升性能最显著的手段。

• 预计算与缓存：尽可能将计算工作移出游戏循环。

• 内存布局控制：使用宏将关键代码放置在特定的内存区域，以提高指令缓存命中率，并对频繁调用的小函数强制执行内联。

开发者总结认为，在 Playdate 上开发 3D 渲染器是一个不断尝试和 benchmark（基准测试）的过程。目前的渲染器虽然不完美，但已经足以支持游戏原型的开发，让这款名为 KATAVATIS 的第一人称水下类银河战士恶魔城游戏从构想变为现实。

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