團(tuán)結(jié) 1.7.3 版本中，虛擬幾何體(Virtual Geometry, VG)功能正式支持 URP 渲染管線，以及包括 Android、iOS 在內(nèi)的移動(dòng)端設(shè)備。將上億面片量級(jí)的影視級(jí)實(shí)時(shí)渲染能力從 PC 端帶入到了移動(dòng)端，旨在為移動(dòng)端的次世代畫(huà)質(zhì)飛躍奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

以下場(chǎng)景為虛擬幾何體示例場(chǎng)景，四個(gè)視角分別代表了渲染結(jié)果、ClusterID、TriangleID、InstanceID。這個(gè)場(chǎng)景的三角形面數(shù)規(guī)模在10 億左右，可以從 TriangleID 的視圖下看到，場(chǎng)景中三角面十分密集。在經(jīng)典的渲染管線中，實(shí)時(shí)渲染如此龐大數(shù)量的三角面幾乎是不可能完成的事情。然而在虛擬幾何體技術(shù)的加持下，在移動(dòng)設(shè)備渲染如此精細(xì)的場(chǎng)景也成為了可能。

下面兩圖展示了此場(chǎng)景運(yùn)行在 iphone13 (蘋(píng)果A15芯片)上的狀態(tài)，其中第二張圖為場(chǎng)景中三角面的示意圖。在此視角下有一個(gè) 12×13 的雕像陣列，其中每個(gè)雕像都是有 400 萬(wàn)面的掃描資產(chǎn)。那么在這個(gè)視角下，總計(jì)同屏實(shí)時(shí)渲染了超過(guò) 6 億個(gè)三角面

[注1]

值得一提的是，這個(gè)示例場(chǎng)景中不僅只包含超高面數(shù)的模型。場(chǎng)景中包含了超過(guò)10000 個(gè)物體，超過(guò)100 個(gè)的不同材質(zhì)，其中包括了 alpha clip 材質(zhì)。場(chǎng)景中添加了數(shù)十個(gè)點(diǎn)光源，并且使用了光照探針、光照貼圖等全局光照方案。并且也添加了粒子特效、后處理等渲染效果。這并非僅僅只是一個(gè)只用于展示多面數(shù)渲染的場(chǎng)景，而是一個(gè)包含了眾多應(yīng)用場(chǎng)景的真實(shí)用例。

移動(dòng)端虛擬幾何體性能分析
幀率對(duì)比

由于在較重的場(chǎng)景中無(wú)法運(yùn)行經(jīng)典的渲染管線，所以我們使用了如下所示的簡(jiǎn)單退化場(chǎng)景來(lái)對(duì)開(kāi)啟/關(guān)閉虛擬幾何體的幀率進(jìn)行對(duì)比。場(chǎng)景中依舊是掃描資產(chǎn)的雕像，每個(gè)雕像有 400 萬(wàn)面，共有 13 個(gè)雕像。視頻上/下部分分別代表開(kāi)啟/關(guān)閉虛擬幾何體的情況。在 iphone13 上開(kāi)啟虛擬幾何體來(lái)渲染這些高模時(shí)，可以穩(wěn)定在60 幀進(jìn)行渲染。然而關(guān)閉虛擬幾何體，只使用普通的延遲渲染管線進(jìn)行渲染時(shí)，幀率大約只有10 幀左右。通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，我們可以直觀感受到虛擬幾何體技術(shù)給移動(dòng)設(shè)備上渲染高面數(shù)模型的能力帶來(lái)的巨大提升。

Draw Call 數(shù)目與顯存占用對(duì)比

使用虛擬幾何體技術(shù)可以大幅度降低在復(fù)雜場(chǎng)景下所需要的 Draw Call 數(shù)量以及顯存占用。對(duì)于開(kāi)始的示例場(chǎng)景，當(dāng)關(guān)閉VG時(shí)，場(chǎng)景總共需要5.5k 個(gè) Draw Call才能完成繪制，這里 Draw Call 數(shù)量較多是因?yàn)閳?chǎng)景中有大量物體以及大量材質(zhì)。場(chǎng)景總體需要大約6GB的顯存占用，這里主要是因?yàn)閳?chǎng)景中高面數(shù)模型數(shù)據(jù)占據(jù)顯存

[注2]

關(guān)閉 VG 時(shí)，渲染參數(shù)

而當(dāng)開(kāi)啟 VG 時(shí)，普通 Draw Call 只需要625 個(gè)

[注3]

開(kāi)啟 VG 時(shí)，渲染參數(shù)

除了整體的 Draw Call 數(shù)目，對(duì)于一些部分的 Draw Call 也有特殊的優(yōu)化。比如在陰影的繪制部分：使用包含 4 個(gè) Cascade 的 CSM 陰影。當(dāng)關(guān)閉 VG，使用 SRP Batcher 的陰影繪制時(shí)，需要16 個(gè)SRPBatch，大約包含共4800 次 Draw Call才能完成陰影的繪制。

關(guān)閉 VG 時(shí)，陰影渲染 Draw Call

而當(dāng)開(kāi)啟 VG 時(shí)，僅需要6 次 Draw Call就能完成全部陰影的繪制，這無(wú)疑是一個(gè)巨大的提升。

開(kāi)啟 VG 時(shí)，陰影渲染 Draw Call

功耗情況

依舊是在最初的示例場(chǎng)景中，在 iphone 13 上進(jìn)行持續(xù) 1 小時(shí)的功耗測(cè)試。最終功耗大約穩(wěn)定在 3W 左右，設(shè)備溫度穩(wěn)定在 41℃ 左右。在一小時(shí)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，幀率基本保持完全穩(wěn)定。

在 Android 上，整體表現(xiàn)與在 iOS 上類(lèi)似。在搭載了天璣 9300 芯片的 Android 設(shè)備上進(jìn)行功耗測(cè)試。最終功耗大約穩(wěn)定在 2W 左右，設(shè)備溫度穩(wěn)定在 36℃ 左右。在持續(xù)時(shí)間內(nèi)，有一小段時(shí)間的低幀率。在大多時(shí)間幀率都保持穩(wěn)定。

移動(dòng)端虛擬幾何體優(yōu)化

為了適配移動(dòng)端虛擬幾何體，基于移動(dòng)端硬件的特性，我們使用了多個(gè)優(yōu)化方案：

1.基于移動(dòng)端硬件的特性，虛擬幾何體推出了模型數(shù)據(jù)固定壓縮比例的編碼方案。相較于原有的可變壓縮比例編碼方案降低約45%的 ALU 開(kāi)銷(xiāo)。使得在 GPU 上實(shí)現(xiàn)更高效的解碼計(jì)算，顯著降低移動(dòng)端 GPU 運(yùn)算壓力。

2.可變壓縮比例方案在一定情況下可能增加包體大小。為了優(yōu)化數(shù)據(jù)大小，我們推出了針對(duì)模型數(shù)據(jù)的層級(jí)剔除。用戶(hù)可手動(dòng)調(diào)整模型留存的層級(jí)比例，平衡數(shù)據(jù)大小與模型精度。對(duì)于高精度模型，可以?xún)?yōu)化超過(guò)90%的數(shù)據(jù)占用大小。

最大程度留存以及低程度留存層級(jí)比例時(shí)，渲染表現(xiàn)對(duì)比以及數(shù)據(jù)大小對(duì)比

3.為了平衡畫(huà)面表現(xiàn)與性能，我們推出了 Rendering Detail Bias 的選項(xiàng)。用戶(hù)可手動(dòng)調(diào)節(jié)此值，使畫(huà)面傾向于選擇更加精細(xì)或粗糙的渲染層級(jí)。調(diào)節(jié)此值最多可使場(chǎng)景降低約75%的渲染面數(shù)，進(jìn)一步提高渲染效率。

Rendering Detail Bias = 0

Rendering Detail Bias = 3

4.針對(duì)移動(dòng)端的虛擬幾何體，重新定制了陰影貼圖、GPU 驅(qū)動(dòng)的反射探針等實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提高性能。

快速上手

使用移動(dòng)端的虛擬幾何體非常簡(jiǎn)單，只需要簡(jiǎn)單幾步即可完成。

1.創(chuàng)建 URP 工程，在 Edit -> Project Settings -> Graphics 中開(kāi)啟虛擬幾何體總開(kāi)關(guān)；

2.導(dǎo)入模型資產(chǎn)，在 Model Importer 中開(kāi)啟模型的 VG 開(kāi)關(guān)；

3.入開(kāi)啟了 VG 的模型到 Scene 中，并編輯一個(gè)您理想中的場(chǎng)景；

4.像普通工程一樣進(jìn)行出包，即可在移動(dòng)設(shè)備上使用虛擬幾何體了。

在實(shí)踐中，為了獲得更好的性能，我們還需要針對(duì)虛擬幾何體進(jìn)行一些特殊的設(shè)置，包括前文提到的固定壓縮比例設(shè)置、模型層級(jí)剔除設(shè)置、渲染細(xì)節(jié)偏移設(shè)置等。

詳情可見(jiàn)官方文檔中對(duì)設(shè)置的詳細(xì)說(shuō)明。

https://docs.unity.cn/cn/tuanjiemanual/Manual/VirtualGeometry-UseOnMobile.html

1.虛擬幾何體移動(dòng)端當(dāng)前僅支持 iPhone 8(A11芯片)及之后推出的 A 系列芯片和 M 系列芯片的蘋(píng)果移動(dòng)設(shè)備、裝配天璣 9200 及之后推出的 9000 系天璣芯片和驍龍 8 Gen2 及之后推出的8系驍龍芯片的安卓移動(dòng)設(shè)備；

2.對(duì)于更早期的芯片，大多對(duì) SSBO cache 以及 Compute Shader 的支持不完善，會(huì)導(dǎo)致帶寬瓶頸或計(jì)算效率低下。故而暫時(shí)不建議使用虛擬幾何體。所以對(duì)于低端機(jī)型，推薦回退使用 LOD Group；

3.移動(dòng)端上 Budget Memory 在根據(jù) Quality 的設(shè)置申請(qǐng)后，不會(huì)擴(kuò)充大小，如果出現(xiàn)部分物體無(wú)法繪制情況，可嘗試增加 Budget Memory 中 Persistent Buffer 大小。

未來(lái)展望

未來(lái)，團(tuán)結(jié)引擎的 VG Mobile 功能將持續(xù)強(qiáng)化，致力于為開(kāi)發(fā)者提供更好、更全面的服務(wù)，包括但不限于：

• 支持更多芯片，更多移動(dòng)端機(jī)型。

• 對(duì)開(kāi)源鴻蒙系統(tǒng)的支持。

• 持續(xù)的性能優(yōu)化。

• 優(yōu)化工作流。

[注]

1.同屏渲染 6 億面指當(dāng)前畫(huà)面中，所有模型共有 6 億數(shù)量級(jí)的三角面。在經(jīng)過(guò)虛擬幾何體的減面后，實(shí)際繪制的三角面會(huì)小于此值。

2.由于關(guān)閉 VG 后，示例場(chǎng)景過(guò)重導(dǎo)致無(wú)法正常在移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行。這里展示的數(shù)據(jù)是在 PC 上的數(shù)據(jù)。對(duì)于 Draw Call 數(shù)目和顯存占用而言，PC 上與在移動(dòng)端上結(jié)果相近。

3.場(chǎng)景中還存在非 VG 的 Draw Call 是因?yàn)閳?chǎng)景中存在少量不支持 VG 的材質(zhì)。

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