虛擬景觀漫游中的優(yōu)化技術應用解析

張 丹

（福州職業(yè)技術學院信息技術工程系，福建 福州 350108）

1 虛擬景觀漫游概述

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

虛擬景觀漫游，一直以來需要克服的重點問題在于，怎樣平衡虛擬環(huán)境仿真度與渲染場景實時繪制之間的矛盾。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。于是需要精細的三維模型來滿足表現(xiàn)需要。同時，漫游運行卻受到計算機硬件性能的約束，當三維模型建造的越復雜越精細，在渲染場景進行繪制時，要滿足用戶實時體驗的良好效果，就越困難。VR 環(huán)境下的復雜場景建模要求具有真實感的模型[2]，而且虛擬場景還必須實時生成，即要求三維場景刷新速度需要和用戶視點變化的速度一致。那么通常會考慮，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折中值，既能夠滿足必要的虛擬真實性，又不會產(chǎn)生繪制困難。于是，就需要各種優(yōu)化技術，來配合場景虛擬交互漫游的需要，在盡可能地減少繪制計算量的同時，又不降低用戶對虛擬仿真的體驗感。

2 Unity 優(yōu)化技術原理

對于虛擬仿真項目來說，與運行性能相關的，主要有兩種計算資源，CPU 和GPU，在運行過程中它們相互合作，來控制項目的運行幀率與渲染分辨率，CPU 負責運行幀率，GPU 則負責渲染分辨率等。

Unity 軟件的渲染統(tǒng)計窗口（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、頂點和三角網(wǎng)格的數(shù)目等。

表1 中列出了渲染統(tǒng)計窗口中顯示的各個信息。

表1 Unity 渲染統(tǒng)計信息

對于CPU 來說，限制它的主要是Draw Call，當項目開始運行，準備對渲染畫面進行繪制時，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?shù)乃婧秃芏嗟臉淠緟擦郑趯λ孢M行渲染時，會使用材質(zhì)和著色器，但在渲染樹模時，需要適合樹木的另外的材質(zhì)和著色器，這時的CPU 需要重新準備繪制的頂點數(shù)據(jù)和需要重新設置材質(zhì)，這個工作過程其實比較耗時。也就是說，構(gòu)建一個場景，如果場景中的每個對象和物體都有各自不同的材質(zhì)紋理等，就會產(chǎn)生非常多的Draw Call，從而影響運行的幀率，同時用戶體驗的交互性也會下降。

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

所以，優(yōu)化技術的考慮有頂點優(yōu)化，常用的有LOD 技術、遮擋剔除技術等；像素優(yōu)化，常用的有控制透明物體、減少實時光照等；CPU 優(yōu)化，減少Draw Calls，常用的有場景靜態(tài)對象使用靜態(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 技術和遮擋剔除技術可以同時減少CPU 和GPU 的負荷。CPU 可以提交更少的draw call，而GPU需要處理的頂點和片元數(shù)目也減少了。

3 優(yōu)化技術應用解析

之后將三維場景導入Unity 進行虛擬漫游和仿真交互控制。常用的優(yōu)化技術主要有以下幾個方面。

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，在進行三維建模的時候，需要注意在滿足造型的基礎上，減少模型中的三角面。為了盡可能減少模型中的頂點數(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，通常會有一些相應的優(yōu)化方案，來進行網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的自動優(yōu)化。隨著整體優(yōu)化，場景中的每一個面片分配都僅為表達造型的有效面片[3]。

在Unity 的渲染統(tǒng)計窗口中，筆者可以查看到渲染當前需要的三角面片數(shù)目和頂點數(shù)目。在GPU 看來，有時需要把一個頂點拆分成兩個或更多，這樣是因為分離紋理坐標（uv splits）和產(chǎn)生平滑的邊界（smoothing splits）。例如，創(chuàng)建一個長方體，長方體的6 個面有一些共用的定點，而在不同的面上，同一個頂點所對應的貼圖紋理坐標也許并不相同。這時，GPU 會將這個頂點拆分成一些紋理坐標不同的頂點。GPU 本身只關心繪制頂點的數(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

LOD（Level of detail）細節(jié)層次優(yōu)化技術與Mipmap 技術有些相似，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)距離攝像機的距離遠近，選擇需要使用怎樣精度的模型。LOD 技術的優(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數(shù)。那么它的缺點則是，由于資源導入的數(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，否則可能會導致外觀模擬的突變。在Unity 中，給需要使用LOD 技術的對象添加LOD Group 組件。

層次細節(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)不同復雜度模型的。當攝像機距離某物體較遠的時候，采用低模，當攝像機距離較近的時候，采用高模?？梢蕴岣哂螒蜾秩拘?，但會占用更多的內(nèi)存。

景觀漫游場景中的樹木就非常適合應用LOD，給樹木對象添加LOD Group 組件。將高精度，中等精度，低精度的模型，拖拽到組件的各個級別上。選擇需要控制的模型以及距離設置LOD 0 對應高精度模型，LOD 1 對應中等精度，LOD 2 對應低精度。

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

圖1 樹木應用LOD 遠近效果變化

3.3 遮擋剔除技術

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，這樣計算機資源就不會消耗在攝像機看不到的物體頂點上，從而提升整體的運行性能。遮擋剔除會使用一個虛擬的攝像機來遍歷場景，從而構(gòu)建一個潛在可見的對象集合的層級結(jié)構(gòu)。在運行時刻，每個攝像機將會使用這個數(shù)據(jù)來識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，不僅可以減少處理的頂點數(shù)目，還可以減少重復繪制，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，進行相應設置，然后進行烘焙，將Edit改為Visualize。這樣當物體不在攝像機的可視范圍內(nèi)，不會對其進行渲染。

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比。

圖2 景觀場景應用遮擋剔除

同時，應用遮擋剔除前后，觀察渲染統(tǒng)計窗口，會發(fā)現(xiàn)性能參數(shù)的前后對比變化明顯，例如可以看到CPU 的處理時間由原來的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

場景對象看起來使用了非常復雜高級的光照計算，但實際上是優(yōu)化后的結(jié)果。首先將場景中運行不會發(fā)生移動的建筑物或障礙物設置成static，取消自動烘焙，調(diào)整好燈光效果，可以參照實時燈光的效果，將燈光模式設置成烘焙，在燈光設置面板中啟用烘焙，烘焙完成會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，滿足動態(tài)物體光照。實時陰影同樣是一個非常消耗性能的效果。不僅是CPU 需要提交更多的draw call， GPU也需要進行更多的處理。因此，應該盡量減少實時陰影，例如使用烘焙把靜態(tài)物體的陰影信息存儲到光照紋理中，而只對場景中的動態(tài)物體使用適當?shù)膶崟r陰影。

對于運行加載優(yōu)化，用的最多的莫過于LOD 以及MipMap 多級漸遠紋理技術，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，形成一個圖像金字塔，每一層都是對上一層降采樣的結(jié)果。這樣在實際運行時，就能快速得到結(jié)果像素。當物體原理攝像機時，可以直接使用較小的紋理，紋理質(zhì)量稍差，模糊感較強。物體靠近時適當替換較大紋理，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。那么當物體遠離時，無須高精度紋理展示時，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，比如遠近多個不同的場景，提前生成幾張精度不同的紋理，使用一定的空間用于存儲這些多級漸遠紋理，通常會多占用1/3 的內(nèi)存空間，是利用空間換取時間的辦法。

有些時候顯示的分辨率也會對性能產(chǎn)生影響，尤其是在Android 系統(tǒng)使用時，當分辨率過高，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，就產(chǎn)生了運行效果較差的情況，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，來提升運行效率，直接在Unity 中設置顯示的分辨率，通過調(diào)用Screen.SetResolution（）函數(shù)，函數(shù)的參數(shù)需要與開發(fā)時UI 分辨率進行等比例計算，可能面臨調(diào)大或調(diào)小的情況。設置運行分辨率后，程序原有的代碼邏輯不會受到影響，而運行效率確實提高了，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亂的問題，可以考慮到Java 層去修改UnityPlayerNativeActivity.java，調(diào)用getResources（）.getDisplayMetrics（）來修復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，之后在相機中同樣方式添加一個post process Layer 組件，回到后處理上，點擊new 來新建一個配置，點擊add effect 可以添加各種處理效果。

給場景中的樹叢應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。

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

圖3 應用后處理技術前后效果對比

4 結(jié)論

虛擬景觀漫游是虛擬漫游的一個重要方面，比如在房地產(chǎn)的應用領域中，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。

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