【技术分享】《解限机》中的虚拟几何体技术

在2023年Unity技术开放日广州站中，珠海西山居引擎平台技术总监黄锦寿分享了《Mecha BREAK》（即《解限机》）中的虚拟几何体（Virtual Geometry）等GPU Driven相关功能的开发与落地。2024年1月2日，团结引擎官方开放了Beta版本的虚拟几何体功能。

本文为黄锦寿演讲内容分享。

原标题：

《“Mecha BREAK”中的Virtual Geometry-powered by fusion》

视频链接：https://www.bilibili.com/video/BV1tg4y1k7hM/?spm_id_from=333.788&vd_source=d137f59271b4afadbb842b16dac5ca39

团结引擎虚拟几何体官方文档：

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

1. 游戏特点

第三人称TPS对战；

3v3/6v6/大世界战场，多种玩法；

实时弹道演算与丰富的场景建筑破坏；

独特个性化的机甲；

高自由度机甲涂装自定义。

1. 定制开发Virtual Geometry的原因

大世界，超大地图，场景复杂；

细节丰富，模型数量多、精度高；

战斗复杂，特效华丽，大量子弹实时弹道演算，精准碰撞检测；

高精度模型需要制作多级LOD模型，美术资源制作工作量大、周期长。

1. Virtual Geometry的好处

只需制作高精度模型；

充分利用GPU的并行算力，释放CPU；

减少内存使用（模型数据只存在显存中）；

支持同场景数亿个三角面；

支持Mesh Streaming实时流式加载，类似于virtual texture；

支持植被系统；

支持骨骼动画模型（Skinned Mesh）；

支持HDRP、URP；

支持多平台（PC、Android、IOS、Xbox、PS5）。

1. 超高精度手办级模型表现

支持涂装系统，玩家可高自由度定制涂装效果；

LOD切换，不会产生明显跳变。

1. 基于VG实现的可交互植被

远处使用Imposter，近处是实体模型；

可交互、可破坏；

使用GPU进行碰撞检测。

1. VG骨骼动画模型

跟传统的GPU Skinning不一样，不需要把动作预烘焙到Texture；

支持机甲换装，涂装系统；

支持各种动作系统（动作融合、IK、Rig）；

多线程更新骨骼动画数据上传GPU；

一次DrawCall绘制所有不同的蒙皮动画模型。

1. 一次Drawcall绘制不同Mesh不同动作不同类型的骨骼动画模型

相同的材质Shader；

Structured Buffer（骨骼数据、材质参数...）；

TextureArray或Texture Atlas（纹理 法线...）；

Vertex Shader中计算蒙皮动画。

1. VG骨骼动画模型

同屏渲染200个随机动作不同Mesh的骨骼动画模型，普通模型帧率为40FPS，VG模型为90多FPS。

1. 同场景数亿个三角面

高密度场景，上万个建筑与植物；

超高精度模型，单棵树375万面；

当前区域模型总三角面数超十亿。

1. VG的调试模式

包括Triangle、Cluster、Material ID、MipLevel、Max MipLevel、Distance等模式。

1. Virtual Geometry的实现原理

1）模型切分Cluster，生成LOD

2）完整的GPU场景（包括：数据上传、裁剪剔除、LOD计算、排序、渲染）：

Instance裁剪（视锥裁剪、遮挡剔除、距离裁剪、屏幕像素占比裁剪）；

Cluster级别的裁剪剔除（视锥裁剪、遮挡剔除）；

在裁剪过程计算每个可见Cluster当前的LOD值；

加载所需要LOD级别的Cluster数据并更新到GPU显存；

对所有可见Cluster按材质进行归类排序渲染。

1. 模型切分Cluster

1）原始Mesh作为LOD0切分Cluster

2）把切分出来的Cluster平均分成N组

3）对每组锁边进行减面到原来的一半作为LOD1

4）每组重新划分Cluster

5）循环以上步骤，直到只有一个Cluster作为最后一级LOD

切分原则：切出来的Cluster面积尽量接近。

1. 切分Cluster效果演示

通过切分算法对Cluster做演示，每个不同的色块对应一个子的mesh，即一个cluster。每个cluster里面有其包围盒数据，用于后续GPU管线中的裁剪。

1. VG与普通Mesh效果对比

VG模型裁剪时，以cluster而非单个模型为单位进行裁剪，可大大降低渲染压力，从而提升效率。

1. Virtual Geometry的模型数据压缩率

以25W面左右的模型为例，原始Mesh内存14.5M，FBX文件大小9.47MB；VG Mesh（含14级LOD）Page文件大小6.10MB；

磁盘占用空间，压缩率为65%，加上LOD Mesh的话，压缩率预估低于50%；

VG模型不占用内存，只存在显存当中，大大释放内存压力。

1. GPU场景流程图

GPUScene Thread类似于渲染线程，Main Thread发起上传数据、数据更新等命令，交给线程做一些数据预处理，从GPU裁剪完，回读回来决定哪些page信息加载到显存中。最下面是GPU计算，包括数据解压、裁剪、排序、渲染均在GPU中完成，CPU仅需要把模型Instance数据添加到GPU中，整个计算线程是多线程的，主线程不会被阻塞。

1. Virtual Geometry的显存使用量

整个VG系统大概需要300M的显存；

单场景大概能节省900M的Mesh内存。

1. VG场景与普通场景的性能数据对比

场景模型面数增加一倍；

CPU耗时降低，GPU利用率增加；

FPS大幅提高。

1. 移动平台的VG

虚拟几何体已支持IOS（Metal）和Android（Vulkan），甚至可以在Xbox和PS5上运行。

1. 最初构想VG版本VGBox

最初版本设想，模型可无限细分，每级别按一半递减，支持镜头裁剪和遮蔽裁剪。