基于紋理處理與遮擋剔除技術的虛擬場景優化技術及研究

劉文，葛文馨，馬穎

（1.山東科技大學，濟南250000；2.山東科技大學，青島266510）

基于紋理處理與遮擋剔除技術的虛擬場景優化技術及研究

劉文1，葛文馨2，馬穎1

（1.山東科技大學，濟南250000；2.山東科技大學，青島266510）

隨著虛擬現實場景的規模逐漸擴大，場景的交互實時性會隨之降低，進而影響用戶瀏覽虛擬場景的體驗。針對這一問題，對Unity3D的虛擬現實場景的優化技術進行深入探究，并提出五種優化方向。在此基礎上對每一種優化策略進行詳細的分析，并闡明其對中央處理器和圖形處理器性能上的影響，對于虛擬現實的交互的實時性的提高有著重要的意義。

虛擬現實；場景優化；Unity3D

0 引言

虛擬現實技術作為當今計算機科學技術的一大研究熱點，是一種利用計算機技術創建生成出模擬場景，并可使用戶體驗虛擬世界的計算機仿真系統。為了能夠使用戶可以隨時隨地訪問在Unity3D引擎中創建的虛擬場景，需要開發并發布能在瀏覽器以及移動終端運行的版本。但隨著場景中的三維模型數量的增加以及模型復雜度的提高，虛擬場景的規模逐漸擴大，需要較高的硬件設備才能實現網頁端以及移動端的場景漫游，故不能滿足多數人的需求。

針對這一現象，可以分別從三維模型的貼圖材質以及虛擬場景的物體加載這兩個方面對虛擬場景進行深度優化，減輕CPU和GPU對圖像的計算壓力，提升虛擬場景的加載速度以及運行速率，使用戶可以更加流暢的漫游虛擬場景。

1 問題提出

目前大部分虛擬場景引擎都只能發布單機端的虛擬現實。單機端虛擬現實的場景雖說在運行過程中所展示出來的效果最好，但是可執行文件以及其他配置文件較大，需要較長的時間進行場景的加載，且局限性較強，只能在臺式機或筆記本電腦上漫游虛擬場景。為了使更多的用戶能夠隨時隨地的訪問虛擬現實場景，還需要對其他平臺如網頁端以及移動端等進行開發及發布。

以虛擬仿真校園為例，對校園進行實地考察并結合建校的設計圖紙，使用Auto CAD以及3ds Max等軟件將校園建筑物的仿真模型按照其坐標位置進行構建，將模型及其所需材質貼圖一并導入Unity3D引擎中，添加天空地面樹木及交互動畫完成虛擬場景的搭建。將校園導出至單機端、網頁端和移動端并進行性能測試，測試數據如下表。

表1 未優化的場景性能測試

在16G內存以及NVIDIA GeForce GTX 770顯卡的電腦進行網頁端場景漫游時，校園加載響應時間約為30秒，CPU使用率為22%，內存使用率為24%，運行流暢度較差。使用4G內存，八核處理器及Android 5.1系統手機進行真機測試得出的效果很不理想，場景中的人稱視角幾乎不能進行平移以及轉向操作。因此在不破壞原有模型以及場景的真實性的基礎上，對虛擬場景進行優化，以提高場景的運行效率是十分有必要的。

2 探究優化

2.1 優化原理

虛擬場景在運行過程中主要計算CPU（中央處理器）和GPU（圖形處理器）的資源。CPU的性能限制一般是指所需要渲染的物體的數量。對于CPU來說，主要性能瓶頸在于擁有過多的Draw Calls，即在Unity引擎中，CPU每次備好數據并通知GPU進行渲染的過程。使用較少的Draw Calls來表現同樣效果的場景是提高CPU運算速率的關鍵所在。然而對于GPU來說，它負責整個渲染的過程。所以GPU的限制一般是指Fill Rate（填充率）以及Memory Bandwidth（內存帶寬）的大小，因此其主要的性能瓶頸與屏幕分辨率、處理的三角形面片以及頂點的數量等因素有關。

2.2 優化技術

以虛擬仿真校園為例，分別從三維模型的貼圖材質以及虛擬場景的物體加載這兩個方面對虛擬場景進行優化處理。

（1）紋理優化

紋理優化主要是對虛擬場景中的三維模型的材質貼圖進行優化處理的一項技術。首先需要確保導入場景中的材質貼圖的邊長及像素均為2的整數次冪的長方形或正方形，有助于計算機能夠快速地對圖片的紋理進行采集，既能節省計算機的占用空間，又能提升計算機對圖片紋理的計算速率。

在Unity的場景中，以肉眼看不出圖片失真的前提下盡可能地降低圖片的分辨率，既能減小原始圖片的大小，提高模型的渲染速度，又可以降低內存的占用率以及CPU的計算量。以校園的車棚為例，對車棚的棚頂進行紋理優化，表2為不同的分辨率所對應的貼圖圖片的大小。

表2 貼圖分辨率及大小對應表

圖1 分辨率為512位的材質貼圖效果

圖2 分辨率為64位的材質貼圖效果

從圖片上可以看出，分辨率為64位的貼圖與分辨率為512位的貼圖在視覺效果上幾乎看不出差別，但實際上64位的圖片大小遠遠小于512位的圖片，降低計算機的空間占有量的同時可以提升CPU與GPU對圖片紋理的計算量。

（2）遮擋處理

除了對模型的材質貼圖進行處理，還需要對虛擬場景當前視角中的模型加載進行優化處理，效果很好但技術難度也很高的方法是對場景添加遮擋剔除處理。遮擋剔除技術（Occlusion Culling）是用來判斷當前物體是否被前方物體遮擋以及是否會遮擋住后方的物體，物體如若被遮擋，GPU則不會將其資源浪費在計算那些看不到的物體上，進而提升GPU的運算速率及效率。以男生宿舍四號樓為例，對四號樓樓體添加陰影遮擋剔除，則從當前視角對此樓體進行訪問的時候可以不對樓體所遮擋住的后方物體進行加載。

其中，Batches是指三維模型使用網格繪制圖像應用時對圖形進行批處理之后的總數，數值越低，意味著CPU計算效率越高；Tris和Verts是指模型的三角形面片數目以及頂點數量；SetPass calls是指模型渲染時需要改變的次數，數值越小，CPU的計算開銷就越小；Shadow Casters是指對物體的每一次進行陰影投射計算的數量，數值越大，GPU處理數據的效率就會越高。從上圖可知，采用陰影遮擋技術能夠有效的減少CPU與GPU對于圖形的計算量，進而提升運行與運算效率。

但是此項技術的使用利弊參半，隨著物體遮擋剔除的精度逐漸提升，計算機將需要耗費更多的資源對場景中的模型進行辨別，CPU與GPU的執行效率會隨之降低。

圖3 進行遮擋剔除之前的場景數據

圖4 進行遮擋剔除之后的場景數據

對虛擬場景進行多次陰影遮擋的數據測試以求達到最優的陰影遮擋剔除的效果，主要對Smallest Oc?cluder（最小遮光板），Smallest Hole（最小的孔）進行數據修改，測試的數據如表2.2。其中Smallest Occluder表示最小的遮擋板的大小，大于或等于這個數據的物體都可以遮擋住其后方的物體；Smallest Hole是指將場景按照此數據進行分割并計算遮擋。

表3 遮擋剔除數據測試表

圖5 進行遮擋計算的場景

圖6 遮擋剔除后的場景

3 結語

使用上述技術對虛擬場景進行優化處理，將場景導出至單機端、網頁端和移動端并進行性能測試，此時測試數據如下表。

表3 遮擋剔除及LOD技術優化后場景性能測試

據上表可知，使用上述方法對虛擬場景進行優化之后能夠有效降低CPU、GPU以及內存的資源占有量以及導出文件的大小，同時還可以提升虛擬現實交互的實時性以及場景運行的流暢度，提供給用戶較為真實的體驗。

[1]駱明星.基于Web3D的成藝虛擬校史展覽館的設計與實現[D].電子科技大學，2015.

[2]莊春華，王普.虛擬現實技術及其應用[M].北京：電子工業出版社，2010：1-12.

[3]劉峻，范豪，孫宇，陸向艷，劉艷.結合邊折疊和局部優化的網格簡化算法[J].計算機應用，2016(02).[4]李春燕,劉少華.淺析幾種三維模型格式導入Unity3D的途徑[J].中國新技術新產品，2016(05).

[6]李俊軍.基于Unity3D的室內建筑三維建模與交互系統實現[D].中國礦業大學，2014.

Abstract：

With the gradual expansion of the virtual reality scene size,the real-time interaction scenarios diminish,and then affect users'experience of browsing the virtual scene.Aiming at this problem,deeply studies the concept of Unity3D virtual reality scenes optimization technology，proposes five optimum direction.And on the basis,analyzes each optimum direction comprehensively,expounds its impact on the central processing unit and the graphics processing unit performance,makes optimization of great significance on improving real-time interaction of virtual reality.

Keywords：

Virtual Reality;Scene Optimization;Unity3D

Research on Virtual Scene Optimization Technologies Based on Texturing and Occlusion Culling Technology

LIU Wen1，GE Wen-xin2，MA Ying1
（1.Shandong University of Science and Technology，Jinan 250000；2.Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510）

2017-03-21

2017-06-20

1007-1423（2017）18-0012-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.18.003

劉文（1996-），男，山東滕州人，本科，學生，研究方向為虛擬現實、機器學習

葛文馨（1994-），女，山東青島人，本科，學生，研究方向為虛擬現實、人工智能

馬穎（1995-），女，山東濟南人，本科，學生，研究方向為軟件工程