GPU Gems 2 · Chapter 41. Deferred Filtering: Rendering from Difficult Data Formats

先把“难搬的货”放到传送带上

想象仓库里有一批货物：为了节省空间，货物被装进带编号的箱子，编号还指向另一排说明卡。仓库机器人可以很快做计算，却不懂这套间接编号；如果每次取一件货都重新查八个邻居，传送带会被重复搬运堵住。

本章解决的问题是：如何先把需要的局部货物整理成标准小托盘，再让后面的机器用现成的平滑搬运能力反复取样？没有这一步，画面放大或做体渲染时，重复解码会把片元指令和纹理读取推到不可交互的程度。

1. 困难格式：计算时省空间，采样时多一步寻址

GPU 上的数据不一定是一张规则的 2D 或 3D 纹理。云、火焰和隐式表面常把三维域压成二维切片、稀疏 tile，或者把一组相似块共享到一个压缩表里。这样的布局更适合更新和计算，但渲染器无法把一个坐标直接交给硬件过滤器。

在原书的例子里，每个数据块保存一个 key；key 指向 codebook 中的代表值。这样相似的块可以共用存储，但一次采样要先读 key，再读代表值，最后才能得到一个可过滤的样本。

直接让片元程序手写三线性过滤，会把一次采样变成八个邻域重建和多次插值。放大体数据时，许多相邻片元还会重复重建完全相同的 texel，计算量随着画面片元数一起膨胀。

2. deferred filtering：把重建与过滤拆成两遍

第一遍只负责读取困难格式并重建当前需要的 data slice；它不必知道最终画面会从这一层采样多少次。第二遍读取相邻的重建 slice，做最后一次 LERP、着色和光照。重建成本因此按 texel 支付一次，而不是按每个画面 fragment 重复支付。

下面的 WebGL2 片元函数对应第二遍的核心：textureI 和 textureJ 已经是普通切片，axisLerp 对当前轴向切片的所有片元都相同，因此只需要两次读取和一次插值。

vec4 deferredTex3D(
  vec2 texCoord2D,
  float axisLerp,
  sampler2D textureI,
  sampler2D textureJ
) {
  vec4 valueI = texture(textureI, texCoord2D);
  vec4 valueJ = texture(textureJ, texCoord2D);
  return mix(valueI, valueJ, axisLerp);
}

这段代码刻意不包含 key、codebook 或八邻域的解码逻辑。它的职责是把已经整理好的局部数据交给纹理读取和硬件插值；第一遍的复杂性被隔离在重建 pass 内。

3. 三线性过滤：沿主要体轴滑动窗口

原书不使用任意方向的 slice plane，而是选择最接近观察方向的体轴做 axis-aligned slicing。每次先重建 i + 1，然后在 i 与 i + 1 之间绘制 sample slices；平面内的过滤交给纹理硬件，轴向的最后一步由 axisLerp 完成。

这个选择让当前切片上的轴向坐标对所有 fragment 都相同，axisLerp 可以作为常量传入 shader。视线与某个体轴越接近，所需的切片顺序越自然；视线变化时，只需切换主要体轴和对应的存储访问方式。

// 每个当前 sample slice 只在相邻重建层之间插值
float axisLerp = slicePosition - floor(slicePosition);
vec4 lower = texture(reconstructedI, texCoord2D);
vec4 upper = texture(reconstructedJ, texCoord2D);
vec4 sample = mix(lower, upper, axisLerp);
vec3 shaded = shadeVolume(sample, gradient(sample));
outColor = vec4(shaded, sample.a);

这里的 axisLerp 不是对整段体数据一次性插值，而是当前相邻切片窗口内的局部比例。完成这一段窗口后，旧的 i 可以被丢弃，i + 1 成为下一轮的 i。

4. flat 3D texture：动态数据也能保持增量渲染

动态体数据经常由 GPU 自己生成：模拟、图像处理、分割或形变会持续更新它们。受限于当时的内存模型，三维域可能被存成多张 2D slice，也可能被压成一张 flat 3D texture。deferred filtering 把“计算布局”和“渲染布局”解耦，所以渲染器不用强迫计算阶段改用另一种存储。

关键是增量窗口：不必同时重建整个体，只需要当前的两张 slice。空间开销主要跟切片分辨率和两层窗口有关，而不是跟体数据的深度线性增长；时间上则把每个 texel 的解码成本支付一次。

5. 何时延后：用一次额外 pass 换掉大量重复读取

官方示例给出一个直观数量级：单遍手写三线性过滤需要重建 8 个 texel、8 次纹理读取和 14 次 LERP/ADD，总计约 54 条片元指令；deferred 路径在最终读取中约为两次纹理读取加一次 LERP，即 3 条指令，另加一次性的重建 pass。

先预测：在下面的实验中，把 reconstruction cost 调高，哪一种路径的估算指令增长更快？把 samples per voxel 调高，为什么单遍路径更容易失控？打开误区开关，观察“直接打开线性过滤”为什么不能替代第一遍重建。

三步验收：从间接地址到可过滤的体采样

本章小结

• 困难格式适合计算，不一定适合硬件过滤。
• deferred filtering 把重建和最终过滤拆成两遍。
• axis-aligned slicing 用两张相邻 slice 完成轴向 LERP。
• 每个 texel 一次重建，避免每个 fragment 重复解码。
• 滑动窗口让动态体数据只驻留两层。