PS3模擬器重大突破，深入瞭解如何透過非同步繪製解決畫面卡頓問題
RPCS3是目前最成熟的Sony PlaySataion 3模擬器之一，已經可以在電腦上正常執行許多套裝遊戲，在先前的更新中也加入升頻功能，能讓遊戲在高於原本的畫質設定下執行。在近期更新中，更是透過非同步繪製的方式來降低畫面發生停頓狀況的頻率，以及加入了玩家帳號管理等功能。
遊戲過程不再卡卡
有使用過RPCS3模擬器的玩家，應該都會在開啟遊戲時等待漫長的系統啟動，並在過程中遇到不正常卡頓的狀況，明明在大多數的時間FPS都可以流暢跑到60幀，為什麼偶爾就會發生明顯的卡頓感？這就要從RPCS3的繪圖方式來說明。
在2017年的時候，開發者為了要提升程式效能，於是移除了大量佔用處理器資源的頂點預處理（Vertex Preprocessing）步驟，雖然能大幅增進效能（在某些情況增益甚至高達10倍），但這種方式會增加頂點著色器（Vertex Shader）的資料量，並增加從記憶體區塊讀取頂點資料的複雜性，會造成顯示驅動程式需要花很常的時間連接至程式，執行過程也需要透過位元轉移（Bitshift）與資料遮罩（Masking）等方式來解碼頂點資料。
雖然程式執行的速度很快，但是連接步驟則非常緩慢，即便可以透過繪圖快取（Shader Cache）來降低延遲，但是當玩家到達新場景的時候，就很容易遇到需要的資料不在快取之中，而造成卡頓的狀況。為了要避免這個問題，RPCS3就會預先將所有的資料預先處理備用，而其副作用就是開啟遊戲時需花很長的時間預備資料。
▲ 在第一次執行遊戲時，RPCS3可能會顯示「Loading Pipeline Object…」、「Compiling shaders…」等訊息並伴隨漫長等待。（圖片來源：RPCS3部落格）
解決之路困難重重
在解決這個問題的過程中，開發人員遇到了許多困難，首先PlaySataion 3的RSX繪圖處理器，並非採用現在主流的統一繪圖架構（Unified Shader），而是具有獨立的頂點與像素管線，彼此具有各自的指令集架構，這些龐大且複雜的程式將會讓執行檔的程式碼相當混雜。
另一個大挑戰是，位元組碼（Bytecode）本身並不包含程式運作所需的全部資訊，需要在傳送繪圖需求的過程中透過暫存器進行設定。舉例來說，TEX指令並不會區分貼圖是1D、2D、3D、立方體等種類與它們的陰影變數，這代表模擬器需要在資料進入暫存器之後才能知道其種類，所以這類資料就無法在遊戲執行之前預先準備。
▲ PlaySataion 3繪圖處理器的架構造成模擬的困難。（圖片來源：維基百科，本圖採用創用CC姓名標示-相同方式分享，作者為Voodooo83）
（下一頁還有解決方式與其他更新說明）
解決之道：非同步繪製
如果你有看過RPCS3的程式生產管線，就會發現程式反組譯器被拆分為程式與反組譯執行緒等2大分類，這是因為RPCS3一開始就採用非同步反組譯，雖然執行準確度與效率都無法與同步反組譯相比，但其最終目標就是能讓解碼與重新編譯分開進行。
在實現這個目標之前，解碼器需要非常有效率與降低處理器負擔，否則反組譯著色器就會造成劃面閃爍或錯誤，於是開發者需要花更多心力去清理反組譯器，以最小化產生的著色器數量。
一旦頂點程式分析器能將大多數遊戲產生的著色器數量降低到1,000以下時，就能從主要繪圖流程中，將反組譯、重新編譯、連接等步驟分離。這個方式對原本就支援多執行緒的Vulkan來說不會太難，但是對OpenGL來說要處理執行緒先後順序就有點難度。
這種處理手法原本預期會產生嚴重的圖型錯誤，但實際上程式只需幾秒鐘的時間就能正確編譯，所以不需近似著色器或直譯器（Interpreter）的幫助，也能應用在模擬器上。
這功能對玩家來說是個非常好的消息，因為與其在遊戲開始前要等待1分鐘左右的「黑畫面」，大多數玩家寧可圖像在1、2秒之間短暫出錯，來降低整體等待時間。
▲ 非同步繪製可以縮短模擬器繪製場景所需的時間，並改善卡頓狀況，連開發者自己都對成果感到印象深刻。（圖片來源：RPCS3部落格，下同）
▲影片右半部的畫面採用非同步繪製技術，可以看到卡頓狀況比左邊畫面改善許多。
其它改進也值得一提
RPCS3近期除了透過非同步繪製來改提升戲體驗外，也在更新中改善了頂點程式反組譯器（Vertex Program Decompiler）與分析器，能進一步簡化著色器，並降低整體產生的著色器數量。這個改進除了解除許多效能瓶頸之外，也解決了許多如長時間停在相同畫面會造成當機，或是大量著色器快取導致畫面閃爍等間接產生的問題，也讓《音速小子 世界大冒險》（Sonic Unleashed）、《全面抵抗2、3》（Resistance 2、3）、《拉捷特與克拉克 Future 2》（Ratchet & Clank Future：A Crack in Time）等遊戲能夠正常執行。
RPCS3先前雖然已經支援遊戲存檔與獎盃功能，但是模擬系統只具有「00000001」這個單一使用者ID，在近期更新中則加入了使用者管理功能，讓玩家可以在模擬系統中建立多重使用者ID，並自由切換使用者，不但方便管理不同玩家的存檔與獎盃，也能讓《泰拉瑞亞》（Terraria）這類單機多人遊戲的玩家可以同時登入帳號。
▲改善頂點程式反組譯器與分析器，除了增加RPCS3的效能外，也提升了相容性，讓《音速小子 世界大冒險》等遊戲能夠正常執行。
▲ RPCS3也正式支援多重使用者功能。
▲ 雖然多位玩家能同時以分割畫面遊玩《泰拉瑞亞》，但可惜的是這款遊戲本身的圖像模擬還是有些小問題。
▲ 截止2018年7月的統計，RPCS3已經能夠執行2,199款遊戲，其中974款被列為可正常遊玩。
到目前為止RPCS3已經可以執行約75%的PlaySataion 3遊戲，共有高於3成的遊戲列為可正常遊玩，約4成為可進入遊戲（但可能有效能或圖像問題），整體而言已經算是不錯的成果，但仍然有相當多的努力空間。如果讀者想以實際行動對開發團對表示支持的話，不妨透過Patreon募資平台進行小額捐款。