UPL9-2——降低几何复杂度

为什么要降低几何复杂度

降低几何复杂度的主要目的是

  1. 减轻 GPU 与 CPU 在几何处理阶段的负担
  2. 减轻 内存带宽 压力和 显存 压力

等等

  • 从GPU角度

    GPU 渲染管线的第一步就是处理顶点，
    如果场景里有几百万甚至上千万个顶点，GPU 必须逐个变换（模型矩阵、光照计算、蒙皮等），
    负担会极大，可能带来：

    1. 帧率下降
    2. 移动端功耗升高、发热严重
    3. 顶点带宽不足导致 GPU 卡顿

    等等

    因此，降低几何复杂度，相当于直接减少了顶点着色器的工作量

  • 从 CPU 角度

    每个网格渲染之前，CPU 要把网格数据提交给 GPU（DrawCall），
    如果模型过于复杂（高面数、网格碎片多），则会导致 CPU 消耗在渲染准备工作上，挤占逻辑、物理计算上的时间
    因此，降低几何复杂度，可以间接减少 CPU 开销

  • 从显存角度

    一般高面数模型文件更大，贴图需要更高分辨率支撑
    高分辨率贴图以及顶点数据都需要占显存，可能给显存带来压力
    因此，降低几何复杂度，可以减轻显存压力

  • 从内存带宽角度

    每帧都需要把顶点、顶点索引相关数据传送到GPU，几何复杂度高会增加数据传输量，消耗内存带宽
    因此，降低几何复杂度，可以减少内存带宽的占用

降低几何复杂度的具体方法

  1. 美术优化

    从源头减少模型的复杂度，主要由美术人员在建模阶段直接控制，主要做法：

    1. 少用高面数模型，能用贴图法线（Normal Map）代替细节就用贴图
    2. 使用合理的多边形分布，把细分面留给容易注意到的部位

    等等

    主要目的就是用最少的资源做出做好的美术表现
    从源头制定好的规范，可以让整体模型预算更加可控
    避免后期出现性能问题时再来改

  2. 移除网格

    完全剔除不必要的几何体，避免 GPU 浪费处理不可见或者无关的网格

    主要做法：

    1. 删除关卡中看不到或不重要的装饰性几何体
    2. 用法线贴图、贴花效果代替体积结构，比如雕刻、螺丝、砖块接缝等效果等
    3. 用平面贴图代替立体模型，比如窗户格子效果等

    主要目的就是优化关卡中装饰或远景模型，有时候牺牲一些细微表现，带给玩家的体验区别不大

  3. LOD

    利用 Unity 中的 LOD Group 组件，根据距离切换不同分辨率的模型网格
    LOD 模型通常由美术导出（也可以利用一些插件自己生成），配合摄像机视距控制显示哪一个模型

    主要做法：
    让游戏中的角色、建筑、大型创景元素使用 LOD Group 组件关联不同精度的模型
    这样能显著减少远处对象的顶点数

    详细可见：UPL9-3——LOD

  4. 遮挡剔除

    利用 Unity 中自带的遮挡剔除 (Occlusion Culling) 相关功能，
    避免渲染那些被其它物体完全挡住、相机不可见的物体，从而减少 GPU 和 CPU 的渲染开销

    主要做法：
    在一些容易产生遮挡的环境中，比如室内场景、复杂建筑场景、森林场景等
    使用 Unity 中的遮挡剔除功能，剔除在墙体、地形、树木等背后的对象，让他们不被渲染，减少渲染开销

    详细可见：UPL9-4——遮挡剔除

  5. 更多方式

    以下这些方法，可能会影响美术表现效果

    1. 简化骨骼动画

      骨骼数量过多时，GPU 和 CPU 负担都重
      可以减少关节数，或者用 VAT（骨骼烘焙动画纹理）代替

    2. Impostor (冒充者/替身) 技术
      把一个复杂的 3D 物体 预先烘焙成 2D 纹理
      用 2D 贴图来冒充 3D 模型，可以配合 LOD 使用

      • 近距离，使用正式的 3D 模型
      • 中远距离，使用低模 LOD
      • 超远距离，使用 Impostor (冒充者/替身) 技术

    3. Mesh Simplification（网格简化算法）

      美术在建模时，使用一些建模软件自带的网格简化功能，Unity 也有一些第三方插件，比如：

    等等