Как ускорить рендер Mario 64 до 124%

Ромхакер Kaze Emanuar сделал не одну модификацию для Super Mario 64. В данный момент он занят разработкой очередной модификации, в процессе которой он смог заставить модифицированную игру работать на оригинальном железе быстрее, чем оригинал. Это перевод-пересказ его видео, где он немного рассказал о своей оптимизации.

Все футажи в видео записаны с реальной Nintendo 64. Прежде чем начать хочется прояснить, разработчики в то время просто не могли добиться такого уровня оптимизации. Понимание железа было не таким обширным, как спустя несколько лет. И сам факт того что им удалось запрограммировать всю эту математику, чтобы сделать работающую 3D игру, очень впечатляет. Как будет сказано, было допущено много ошибок и странных решений. Сделавших рендер невероятно медленным. Многое из описанного ниже можно отнести и к современной разработке. Тем не менее сейчас CPU настолько быстрые, что разработчики больше не обращают на это внимание. И поэтому мы получаем так много плохо оптимизированных игр. Хочу так же отметить что речь пойдет о коде графического рендера, а не о буквальном выводе пикселей. Это два отдельных компонента, каждый из которых может снизить fps для игр Nintendo 64 индивидуально.

До оптимизации, используя родной компилятор Mario 64, первый уровень модификации требовал 28 миллисекунд для рендера. Это значит, что на данном уровне игра будет работать при 35 кадров в секунду. Однако нам так же нужно просчитывать физику, объекты и все остальное. Что практически не оставляет места для рендера кадра, это серьезно влияет на количество кадров.

Используя современный GCC и О2 оптимизацию, мы можем заставить код работать более эффективно. И уменьшить время рендера до 23,5 миллисекунд. Эти 4,5 миллисекунды мы получаем просто включив оптимизацию компилятора. Разработчики могли сделать это еще тогда, но они этого не сделали.

Kaze спросил у Годдарда, реального разработчика игр для N64, почему так получилось. Он предположил что разработчики не хотели рисковать появлением в релизной версии багов, которых не было в дебаг-версии.

Конечно я мог бы пересказать вам содержимое видео. Но это слишком скучно, поэтому вот вам небольшой коуб. Полную версию смотрите в самом ролике.

В конце ролика есть объяснение всех функций. И все это сэкономит нам 3 миллисекунды, уменьшив время рендера до 20,5 миллисекунд.

Как оказалось игра использует ТРИ вертикальных рейкаста, просто для того, чтобы найти позицию и наклон поверхности под объектом для отрисовки тени. Почему три? Это ужасно тупо и практически непростительно. Кем бы ни был тот, кто написал это тогда, я надеюсь Миямото крепко материт его по сей день за подобное решение. Это не делает что-то лучше, это просто тупо.

Исправить это было ничтожно просто, что дало безумное ускорение. Сокращение до одного рейкаста снизило время до 17,5 миллисекунд. Это значит что теперь мы можем обрабатывать 56 кадров в секунду.

В общем после перечисленных выше махинаций, Kaze просмотрел всю кодовую базу держа все что узнал в голове. И прочел практически весь код графического рендера вне математики. Больше всего рендер ускорился из-за улучшения кэша инструкций. После этого код не только стал более удобным для работы, но и рендер стал занимать всего лишь 14,9 миллисекунд. А значит технически игра теперь может выдавать больше 60 кадров в секунду.

В сообществе моддеров Mario 64 для создания 3D-моделей используют Blender Fast 64. Как оказалось моделях из игры много не нужных костей, которые ничего не делают. Не совсем понятно зачем их туда добавили. Kaze скооперировался с N64-разработчиком для создания более эффективной геометрии моделей. Со всеми исправлениями мы получаем 13,4 миллисекунд. К сожалению к этому моменту Kaze уже добавил на уровни другие детали, от чего цифры могут быть менее точными.

После этого Kaze обратился за советом к Wiseguy, довольно известным моддером и homebrew-разработчиком. Понял что запрет GCC на создание таблиц переходов дает ускорение и разрешил GCC создавать их только в случае более 15 обращений. Это сократило рендер до 13,0 миллисекунд. За исключением функций обработки геометрии, где Kaze превратил все switch case в огромную таблицу переходов. Это может выглядеть ужасно, но это позволило ускорить рендер до 12,5 миллисекунд. Что значит мы можем обрабатывать 80 кадров в секунду.

Ну вот и все, мы пришли от 28 миллисекунд к 12,5 миллисекундам. Новый код может обрабатывать 224% от геометрии в отличии от старого кода. И какая же практическая выгода от всего этого? Очевидно просто просчитывать кадр недостаточно, чтобы так же рендерить его. В зонах где CPU замедлялся, fps значительно возрос. В худших случаях он поднялся с 9 кадров в секунду до 18. В конечно итоге это сделает мою работу над модификацией намного легче в будущем.

#mario64 #оптимизация #перевод