虛擬景觀漫游中的優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用解析

張 丹

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)工程系，福建 福州 350108）

1 虛擬景觀漫游概述

虛擬漫游，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要應(yīng)用，通常應(yīng)用在在建筑、教學(xué)、旅游、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)漫游具有其獨(dú)特的沉浸感、交互性、仿真操作等，是其他固定路線漫游或沒有加護(hù)的其他漫游技術(shù)無法比擬的[1]。隨著生產(chǎn)力和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì) VR 技術(shù)的需求量日益加劇，VR 技術(shù)在各行各業(yè)都取得了巨大進(jìn)步，并逐步成為一個(gè)全新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。虛擬景觀漫游，作為虛擬漫游的一個(gè)重要方面，將虛擬三維場景構(gòu)建與虛擬漫游交互進(jìn)行完美結(jié)合。被廣泛應(yīng)用在地產(chǎn)景觀、小區(qū)景觀、旅游景觀的領(lǐng)域，給用戶在身臨其境欣賞景觀的同時(shí)，還可以交互仿真進(jìn)行一系列操作。

虛擬景觀漫游，一直以來需要克服的重點(diǎn)問題在于，怎樣平衡虛擬環(huán)境仿真度與渲染場景實(shí)時(shí)繪制之間的矛盾。在虛擬景觀漫游中，用戶看到的景象看起來距離較近，那么久需要場景的繪制尤其逼真。于是需要精細(xì)的三維模型來滿足表現(xiàn)需要。同時(shí)，漫游運(yùn)行卻受到計(jì)算機(jī)硬件性能的約束，當(dāng)三維模型建造的越復(fù)雜越精細(xì)，在渲染場景進(jìn)行繪制時(shí)，要滿足用戶實(shí)時(shí)體驗(yàn)的良好效果，就越困難。VR 環(huán)境下的復(fù)雜場景建模要求具有真實(shí)感的模型[2]，而且虛擬場景還必須實(shí)時(shí)生成，即要求三維場景刷新速度需要和用戶視點(diǎn)變化的速度一致。那么通常會(huì)考慮，在三維場景模型的精確度和渲染場景的繪制速度之間取一個(gè)折中值，既能夠滿足必要的虛擬真實(shí)性，又不會(huì)產(chǎn)生繪制困難。于是，就需要各種優(yōu)化技術(shù)，來配合場景虛擬交互漫游的需要，在盡可能地減少繪制計(jì)算量的同時(shí)，又不降低用戶對(duì)虛擬仿真的體驗(yàn)感。

2 Unity 優(yōu)化技術(shù)原理

對(duì)于虛擬仿真項(xiàng)目來說，與運(yùn)行性能相關(guān)的，主要有兩種計(jì)算資源，CPU 和GPU，在運(yùn)行過程中它們相互合作，來控制項(xiàng)目的運(yùn)行幀率與渲染分辨率，CPU 負(fù)責(zé)運(yùn)行幀率，GPU 則負(fù)責(zé)渲染分辨率等。

Unity 軟件的渲染統(tǒng)計(jì)窗口（Rendering Statistics Window ），顯示了很多重要的渲染數(shù)據(jù)，例如FPS 幀頻、批處理數(shù)目、頂點(diǎn)和三角網(wǎng)格的數(shù)目等。

表1 中列出了渲染統(tǒng)計(jì)窗口中顯示的各個(gè)信息。

表1 Unity 渲染統(tǒng)計(jì)信息

對(duì)于CPU 來說，限制它的主要是Draw Call，當(dāng)項(xiàng)目開始運(yùn)行，準(zhǔn)備對(duì)渲染畫面進(jìn)行繪制時(shí)，就需要調(diào)用Draw Call。通常的小區(qū)漫游或者是景觀漫游，場景中通常分布著適當(dāng)?shù)乃婧秃芏嗟臉淠緟擦郑趯?duì)水面進(jìn)行渲染時(shí)，會(huì)使用材質(zhì)和著色器，但在渲染樹模時(shí)，需要適合樹木的另外的材質(zhì)和著色器，這時(shí)的CPU 需要重新準(zhǔn)備繪制的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和需要重新設(shè)置材質(zhì)，這個(gè)工作過程其實(shí)比較耗時(shí)。也就是說，構(gòu)建一個(gè)場景，如果場景中的每個(gè)對(duì)象和物體都有各自不同的材質(zhì)紋理等，就會(huì)產(chǎn)生非常多的Draw Call，從而影響運(yùn)行的幀率，同時(shí)用戶體驗(yàn)的交互性也會(huì)下降。

GPU 本身負(fù)責(zé)場景的整個(gè)渲染進(jìn)程，它的處理開始部分是從CPU 傳過來的三維模型數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行著色等工作，最后給屏幕上輸出每個(gè)像素。于是知道了影響GPU 性能的因素有處理頂點(diǎn)的數(shù)目、屏幕的分辨率、顯存等。

所以，優(yōu)化技術(shù)的考慮有頂點(diǎn)優(yōu)化，常用的有LOD 技術(shù)、遮擋剔除技術(shù)等；像素優(yōu)化，常用的有控制透明物體、減少實(shí)時(shí)光照等；CPU 優(yōu)化，減少Draw Calls，常用的有場景靜態(tài)對(duì)象使用靜態(tài)批處理；帶寬優(yōu)化，常用的有減少紋理大小等。

三維模型的LOD 技術(shù)和遮擋剔除技術(shù)可以同時(shí)減少CPU 和GPU 的負(fù)荷。CPU 可以提交更少的draw call，而GPU需要處理的頂點(diǎn)和片元數(shù)目也減少了。

3 優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用解析

之后將三維場景導(dǎo)入U(xiǎn)nity 進(jìn)行虛擬漫游和仿真交互控制。常用的優(yōu)化技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面。

3.1 優(yōu)化幾何體

虛擬景觀漫游制作的流程中，第一步是創(chuàng)建場景三維模型，在進(jìn)行三維建模的時(shí)候，需要注意在滿足造型的基礎(chǔ)上，減少模型中的三角面。為了盡可能減少模型中的頂點(diǎn)數(shù)目，建模人員往往需要優(yōu)化模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。常見的三維建模工具，通常會(huì)有一些相應(yīng)的優(yōu)化方案，來進(jìn)行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的自動(dòng)優(yōu)化。隨著整體優(yōu)化，場景中的每一個(gè)面片分配都僅為表達(dá)造型的有效面片[3]。

在Unity 的渲染統(tǒng)計(jì)窗口中，筆者可以查看到渲染當(dāng)前需要的三角面片數(shù)目和頂點(diǎn)數(shù)目。在GPU 看來，有時(shí)需要把一個(gè)頂點(diǎn)拆分成兩個(gè)或更多，這樣是因?yàn)榉蛛x紋理坐標(biāo)（uv splits）和產(chǎn)生平滑的邊界（smoothing splits）。例如，創(chuàng)建一個(gè)長方體，長方體的6 個(gè)面有一些共用的定點(diǎn)，而在不同的面上，同一個(gè)頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的貼圖紋理坐標(biāo)也許并不相同。這時(shí)，GPU 會(huì)將這個(gè)頂點(diǎn)拆分成一些紋理坐標(biāo)不同的頂點(diǎn)。GPU 本身只關(guān)心繪制頂點(diǎn)的數(shù)量。因此，筆者需要考慮的是怎樣盡量去減少繪制頂點(diǎn)的數(shù)目。另外一條幾何體優(yōu)化建議是，移除不必要的硬邊以及紋理銜接，避免邊界平滑和紋理分離。

3.2 LOD 技術(shù)

LOD（Level of detail）細(xì)節(jié)層次優(yōu)化技術(shù)與Mipmap 技術(shù)有些相似，后者是紋理金字塔，而LOD 是面向三維模型的模型金字塔，根據(jù)距離攝像機(jī)的距離遠(yuǎn)近，選擇需要使用怎樣精度的模型。LOD 技術(shù)的優(yōu)勢在于，可以在滿足需要的情況下，盡可能地減少需要繪制的頂點(diǎn)數(shù)。那么它的缺點(diǎn)則是，由于資源導(dǎo)入的數(shù)量，需要占用較多的內(nèi)存，因此在不同精度模式所處的距離問題上，需要調(diào)整好，否則可能會(huì)導(dǎo)致外觀模擬的突變。在Unity 中，給需要使用LOD 技術(shù)的對(duì)象添加LOD Group 組件。

層次細(xì)節(jié)（Levels of Detail）是根據(jù)物體在場景中所占視圖的百分比來調(diào)節(jié)不同復(fù)雜度模型的。當(dāng)攝像機(jī)距離某物體較遠(yuǎn)的時(shí)候，采用低模，當(dāng)攝像機(jī)距離較近的時(shí)候，采用高模。可以提高游戲渲染效率，但會(huì)占用更多的內(nèi)存。

景觀漫游場景中的樹木就非常適合應(yīng)用LOD，給樹木對(duì)象添加LOD Group 組件。將高精度，中等精度，低精度的模型，拖拽到組件的各個(gè)級(jí)別上。選擇需要控制的模型以及距離設(shè)置LOD 0 對(duì)應(yīng)高精度模型，LOD 1 對(duì)應(yīng)中等精度，LOD 2 對(duì)應(yīng)低精度。

給樹木添加LOD 組件之后，可以看到在景觀場景漫游中，距離樹木由近到遠(yuǎn)時(shí)，樹木的外觀編號(hào)以及網(wǎng)格簡化過程如圖1 所示。

圖1 樹木應(yīng)用LOD 遠(yuǎn)近效果變化

3.3 遮擋剔除技術(shù)

遮擋剔除（Occlusion culling）在場景渲染中可以用來消除某些物體后面的看不到的物體，這樣計(jì)算機(jī)資源就不會(huì)消耗在攝像機(jī)看不到的物體頂點(diǎn)上，從而提升整體的運(yùn)行性能。遮擋剔除會(huì)使用一個(gè)虛擬的攝像機(jī)來遍歷場景，從而構(gòu)建一個(gè)潛在可見的對(duì)象集合的層級(jí)結(jié)構(gòu)。在運(yùn)行時(shí)刻，每個(gè)攝像機(jī)將會(huì)使用這個(gè)數(shù)據(jù)來識(shí)別哪些物體是可見的，而哪些被其他物體擋住不可見。使用遮擋剔除技術(shù)，不僅可以減少處理的頂點(diǎn)數(shù)目，還可以減少重復(fù)繪制，提高游戲性能。

打開渲染窗口的遮擋剔除（Occlusion Culling），選中需要遮擋剔除的物體，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，然后進(jìn)行烘焙，將Edit改為Visualize。這樣當(dāng)物體不在攝像機(jī)的可視范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)其進(jìn)行渲染。

圖2 是小區(qū)景觀使用遮擋剔除后的俯視圖，可以看到前后展示對(duì)比。

圖2 景觀場景應(yīng)用遮擋剔除

同時(shí)，應(yīng)用遮擋剔除前后，觀察渲染統(tǒng)計(jì)窗口，會(huì)發(fā)現(xiàn)性能參數(shù)的前后對(duì)比變化明顯，例如可以看到CPU 的處理時(shí)間由原來的25.7ms 變成了15.1ms，優(yōu)化前的幀頻是38.8f/s，而優(yōu)化后幀頻是66.3f/s，以及一些其他參數(shù)的優(yōu)化變化。

3.4 其他優(yōu)化技術(shù)

場景對(duì)象看起來使用了非常復(fù)雜高級(jí)的光照計(jì)算，但實(shí)際上是優(yōu)化后的結(jié)果。首先將場景中運(yùn)行不會(huì)發(fā)生移動(dòng)的建筑物或障礙物設(shè)置成static，取消自動(dòng)烘焙，調(diào)整好燈光效果，可以參照實(shí)時(shí)燈光的效果，將燈光模式設(shè)置成烘焙，在燈光設(shè)置面板中啟用烘焙，烘焙完成會(huì)得到場景的光照烘焙圖，滿足靜態(tài)物體光照。再將光照探針分布在場景中，滿足動(dòng)態(tài)物體光照。實(shí)時(shí)陰影同樣是一個(gè)非常消耗性能的效果。不僅是CPU 需要提交更多的draw call， GPU也需要進(jìn)行更多的處理。因此，應(yīng)該盡量減少實(shí)時(shí)陰影，例如使用烘焙把靜態(tài)物體的陰影信息存儲(chǔ)到光照紋理中，而只對(duì)場景中的動(dòng)態(tài)物體使用適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)陰影。

對(duì)于運(yùn)行加載優(yōu)化，用的最多的莫過于LOD 以及MipMap 多級(jí)漸遠(yuǎn)紋理技術(shù)，MipMap 又被稱為“紋理貼圖金字塔”。它的原理是提前用濾波處理來得到很多更小的圖像，形成一個(gè)圖像金字塔，每一層都是對(duì)上一層降采樣的結(jié)果。這樣在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，就能快速得到結(jié)果像素。當(dāng)物體原理攝像機(jī)時(shí)，可以直接使用較小的紋理，紋理質(zhì)量稍差，模糊感較強(qiáng)。物體靠近時(shí)適當(dāng)替換較大紋理，紋理質(zhì)量好，模糊感較少。以便給玩家呈現(xiàn)更精致的畫面。那么當(dāng)物體遠(yuǎn)離時(shí)，無須高精度紋理展示時(shí)，則替換低精度紋理，降低了顯存帶寬，減少了渲染。但是，為了適配多場景，比如遠(yuǎn)近多個(gè)不同的場景，提前生成幾張精度不同的紋理，使用一定的空間用于存儲(chǔ)這些多級(jí)漸遠(yuǎn)紋理，通常會(huì)多占用1/3 的內(nèi)存空間，是利用空間換取時(shí)間的辦法。

有些時(shí)候顯示的分辨率也會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響，尤其是在Android 系統(tǒng)使用時(shí)，當(dāng)分辨率過高，而硬件性能卻很低，也就是說硬件性能與分辨率要求不匹配時(shí)，就產(chǎn)生了運(yùn)行效果較差的情況，所以硬件性能與渲染畫面質(zhì)量之間應(yīng)該如何平衡是需要研究的問題。這是可以考慮使用Android 系統(tǒng)的硬件縮放技術(shù)，來提升運(yùn)行效率，直接在Unity 中設(shè)置顯示的分辨率，通過調(diào)用Screen.SetResolution（）函數(shù)，函數(shù)的參數(shù)需要與開發(fā)時(shí)UI 分辨率進(jìn)行等比例計(jì)算，可能面臨調(diào)大或調(diào)小的情況。設(shè)置運(yùn)行分辨率后，程序原有的代碼邏輯不會(huì)受到影響，而運(yùn)行效率確實(shí)提高了，并且能觀察到幀頻的顯著提高。使用這種方法如果遇到偶爾屏幕顯示異常如橫豎屏錯(cuò)亂的問題，可以考慮到Java 層去修改UnityPlayerNativeActivity.java，調(diào)用getResources（）.getDisplayMetrics（）來修復(fù)問題并得到正確的顯示效果。

3.5 表現(xiàn)效果優(yōu)化

給場景對(duì)象添加后處理組件post process volume，勾選其中的is global 作用全局，之后在相機(jī)中同樣方式添加一個(gè)post process Layer 組件，回到后處理上，點(diǎn)擊new 來新建一個(gè)配置，點(diǎn)擊add effect 可以添加各種處理效果。

給場景中的樹叢應(yīng)用后處理的部分效果，抗鋸齒Antialiasing、太陽射線光SunShafts、鏡頭暗色暈圈VignetteAndChromaticAberration、柔光Bloom、色彩校正曲線ColorCorrectionCurves。

可以看到場景應(yīng)用后處理以上效果后的，前后渲染效果對(duì)比如圖3 所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要，選擇合適的后處理效果應(yīng)用，以達(dá)到不同的環(huán)境渲染效果。

圖3 應(yīng)用后處理技術(shù)前后效果對(duì)比

4 結(jié)論

虛擬景觀漫游是虛擬漫游的一個(gè)重要方面，比如在房地產(chǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域中，通過地產(chǎn)景觀虛擬漫游，用戶可以身臨其境的觀賞到優(yōu)美的小區(qū)環(huán)境。

在虛擬景觀漫游項(xiàng)目創(chuàng)建過程中，從三維幾何體優(yōu)化到LOD 優(yōu)化等技術(shù)的使用，以及使用后處理效果，對(duì)提高虛擬漫游整體運(yùn)行性能以及用戶體驗(yàn)效果，有非常重要的意義。