Работа с виртуальным миром

При создании виртуального мира не обойтись без оптимизации. Различные способы оптимизации помогают разгрузить процесс отрисовки без существенного влияния на качество изображения.

Чем проще геометрия 3D-объектов, тем меньше нагрузка на рендер. Поэтому при увеличении расстояния между камерой и объектами имеет смысл плавно переключаться между уровнями их детализации (LOD-ами) в режиме прозрачности Alpha Blend.

В UNIGINE предусмотрено два механизма смены LOD-ов:

• Выключение одного LOD-а и включение другого на определенном расстоянии, которое задается двумя значениями: конец видимости первого LOD-а (Max Visibility) и начало видимости второго LOD-а (Min Visibility).

  

• Плавный переход (fade) между LOD-ами в указанном интервале, который задается двумя значениями: расстояние плавного появления первого LOD-а (Min Fade) и расстояние плавного исчезновения первого LOD-а / расстояние плавного появления второго LOD-а (Max Fade).

  

Настройки LOD-ов поверхностей находятся в секции LOD вкладки Node в окне Parameters. Доступны следующие параметры:

Поверхность в пределах видимости

Расстояние плавного перехода

Например, у нас есть два LOD-а: высокополигональный surface_lod_0 и низкополигональный surface_lod_1, и нам нужно сделать плавный переход между этими двумя LOD-ами.

1. Мы хотим, чтобы смена LOD-ов происходила на расстоянии 50 единиц. Для этого нужно состыковать друг с другом их границы видимости:
   • Поверхность первого LOD-а surface_lod_0 должна отображаться, когда камера находится вблизи объекта. Поэтому задаем значение -inf для начала видимости (Min Visibility). А для конца видимости (Max Visibility) выставляем значение 50 единиц от камеры.
   • На большем расстоянии сразу же включается поверхность второго LOD-а surface_lod_1. Она видна на расстоянии от 50 единиц (которое указано в Min Visibility) — и до бесконечности (Max Visibility = inf).
2. Переключение между LOD-ами происходит довольно резко. Для плавного исчезновения (для первого LOD-а) и появления (для второго LOD-а) указываются симметричные расстояния. К примеру, установим диапазон плавного перехода равный 5 единицам.
   • Для плавного исчезновения первого LOD-а указываем значение Max Fade равное 5.
   • Для плавного появления второго LOD-а, указываем значение Min Fade равное 5.

В результате для LOD-ов будут применяться следующие значения:

Реперный объект#

Система уровней детализации включает еще один параметр — реперный объект. Этот параметр задает границы, от которых отмеряется расстояние перехода между LOD-ами. Можно отмерять расстояние от самой поверхности или от какой-либо из поверхностей или нод выше по иерархии в этой ветке. Для каждой поверхности указываются два реперных объекта:

Min Parent

Реперный объект, от которого определяется расстояние до начала видимости (Min Visibility): 0 — сама поверхность. 1 — означает, что реперный объект находится на один уровень выше в данной иерархии: сначала переход вверх по уровням осуществляется по иерархии поверхностей (если эти уровни существуют); затем происходит переход по иерархии нод. Например, если у поверхности нет родительских поверхностей, то 1 обозначает объект, которому эта поверхность принадлежит. Увеличение числа просто смещает реперный объект вверх через все родительские поверхности, а затем — все родительские ноды.

Max Parent

Реперный объект, от которого определяется расстояние до конца видимости (Max Visibility). Задается в соответствии с тем же самым подходом.

Для примера возьмем модель дома. Когда камера находится рядом, видны высокополигональные детализированные поверхности, такие как арка над дверью, каменная кладка углов дома, объем круглого окна и черепицы. При увеличении расстояния между камерой и объектом все эти поверхности должны одновременно заменяться на одну-единственную низкополигональную и менее детализированную поверхность.

Примечание

Объединение нескольких поверхностей в одну снижает количество отрисовываемых объектов, тем самым сокращая количество вызовов DIP и увеличивая скорость рендеринга.

Высокополигональная модель

Низкополигональная модель, используемая в качестве менее детализированной поверхности

Проблема заключается в том, что у всех этих детализированных поверхностей разные ограничивающие контуры (bounding box). Поэтому если границы видимости измеряются от самих поверхностей (установлено значение 0 для Min Parent и Max Parent), может произойти ситуация, когда смена LOD-ов различных частей дома происходит неравномерно, так как их границы находятся на разном расстоянии от камеры. Это может спровоцировать визуальный дефект под названием z-fighting, когда одна поверхность проглядывает сквозь другую. В нашем примере на рисунке ниже дальний угол еще не переключился на более детализированную поверхность, а ближний отрисован дважды: высокополигональный угол дома одновременно с низкополигональной поверхностью, представляющей весь дом целиком.

Измерение расстояния до поверхности LOD-а может спровоцировать дефект: одновременное включение двух LOD-ов

Если мы выставим в качестве реперного объекта ограничивающий контур всего дома (значение 1 для Min Parent и Max Parent), то все поверхности будут переключаться одновременно независимо от того, с какой стороны мы приближаемся к дому.

Еще один вариант — использовать при проверке разные реперные объекты для различных поверхностей. Например, начало видимости (Min Visibility) проверяется относительно самой поверхности, а конец видимости (Max Visibility) — относительно родительской ноды. Разберем на примере кольца, разбитого на поверхности в зависимости от уровня детализации.

Уровни детализации кольца. Поверхность слева является родителем для поверхности справа

Итак, поверхности из крайнего правого столбца будут отображаться, когда камера находится очень близко к объекту. Поверхность из крайнего левого столбца будет отображаться, когда камера находится очень далеко от кольца. Совмещение нескольких поверхностей в одну снижает количество отрисовываемых объектов, тем самым сокращая число вызовов DIP и увеличивая скорость рендеринга.

Обратите внимание, что все точки начала видимости (Min Visibility) здесь измеряются от самой поверхности, а точки конца видимости (Max Visibility) — от другого реперного объекта, родителя. Следующая иллюстрация поможет вам понять, зачем это сделано.

Пример измерения расстояния от различных реперных объектов

Звездой обозначено место расположения камеры. По сути, не важно, куда будет направлена камера. На обоих изображениях сегменты кольца выбираются в зависимости от положения камеры и расстояния от камеры до соответствующих реперных объектов. Например, на изображении слева верхняя левая часть кольца представляет собой цельную поверхность, правая часть разбита на две отдельные поверхности, нижняя часть также представляет собой цельную поверхность. На изображении справа вся верхняя часть разделена на минимально возможные сектора.

Расстояния измеряются от различных реперных объектов, чтобы правильно "выключать" самые маленькие сектора и отображать вместо них более крупный сектор. Конец видимости (Max Visibility) рассчитывается от родительского сектора, поскольку расстояния до смежных подсекторов могут существенно различаться. Начало видимости (Min Visibility) рассчитывается от текущего сектора, поскольку нам нужно его показать, если камера находится слишком близко к нему.

Во многих приложениях интерактивное пространство можно представить в виде лабиринта комнат, соединенных проходами (дверями). При необходимости отдельные фрагменты открытого пространства, имеющие определенные границы, также можно представить как "помещения". То есть, мы можем собрать мир из секторов и порталов.

Все пространство разбито на выпуклые области, которые называются секторами ("помещениями"). Если между двумя смежными секторами есть проем (окно или дверь), через который один сектор частично просматривается из другого, такой проем называется порталом. Сектора и порталы помогают определить, какие области и объекты видно из заданной точки в мире. Кроме того, если смежный сектор просматривается через портал, то данный портал используется как пирамида видимости (viewing frustum) для пространства, в которое он ведет, и используется для отсечения по пирамиде видимости.

Методы, которые подходят для сцен в замкнутом пространстве, неэффективны, когда дело доходит до масштабных ландшафтов. Скорость отрисовки напрямую зависит от количества рисуемых сущностей и полигонов, а также физических расчетов, которых в сценах с открытым пространством, как правило, тоже очень много. Поэтому основная задача при настройке таких сцен — обеспечить отрисовку только тех участков, которые видны, и отсечь все остальное. Если мир невозможно сузить до набора замкнутых пространств, то имеет смысл применить подход, который называется разбиение пространства (space partitioning).

В Unigine разбиение пространства реализуется при помощи адаптивных BSP-деревьев с привязкой к осям координат.

Двоичное разбиение пространства#

Двоичное разбиение пространства — это метод разбиения сцены вдоль осей на участки, каждый из которых обрабатывается индивидуально, что упрощает работу со сценой. BSP-дерево представляет собой иерархическую структуру, которая создается посредством разделения и группирования всех данных сцены. Адаптивное поведение оптимизирует алгоритм двоичного разбиения пространства: размеры участков определяются пропорционально обрабатываемой геометрии и распределению объектов в мире.

BSP-дерево строится следующим образом:

1. Сначала создается корневой узел: ограничивающий контур с привязкой к осям (AABB), который охватывает всю сцену.
2. Затем пространство ограничивающего контура рекурсивно делится на два участка разбивающей плоскостью, которая перпендикулярна одной из трех основных осей. В итоге создается два узла дерева, каждый из которых заключается в ограничивающий контур с привязкой к осям. Этот шаг повторяется для каждого из этих узлов до тех пор, пока не будет представлена вся геометрия сцены.
3. Процесс деления останавливается, когда достигается уровень с необходимым количеством нод.
   Примечание

   Если разбивающая плоскость на определенном этапе разбивает объект, то этот объект остается на предыдущем уровне и не спускается дальше по дереву. Такое часто происходит с масштабными объектами, такими как небо или большие здания.

Во время рендеринга движок проходит по всем узлам BSP-дерева и определяет, какие из ограничивающих контуров находятся в пределах пирамиды видимости. Если узел попадает в эти пределы, то проверка повторяется для его потомков до тех пор, пока не будет достигнут дочерний узел, который находится за пределами пирамиды видимости. Для видимых участков производятся все необходимые расчеты, а остальная часть сцены (т. е. объекты, их освещение и физическое взаимодействие друг с другом) игнорируется.

Каждый раз при добавлении объекта в сцену, его удалении или изменении его статуса на коллизионный или clutter дерево автоматически пересоздается. Если изменений не вносилось, дерево остается прежним. Благодаря этому адаптивное двоичное разбиение пространства эффективно не только при отрисовке статичной геометрии, но и при работе с динамическими объектами.

Примечание

Включить визуализацию пространственного дерева можно при помощи консольной команды world_show_spatial.

Визуализация пространственного дерева

Чтобы работа со сценой была эффективной, а дерево сбалансированным, для каждого типа нод создается свое дерево:

• Глобальное дерево охватывает все сектора, порталы, загораживающие объекты, триггеры и кластеры.
• Дерево объектов включает все объекты кроме тех, у которых включено состояние коллизионный или clutter.
• Коллизионные объекты формируют свое дерево, чтобы было проще обнаружить коллизии и не проверять каждый объект на предмет столкновения со всеми остальными объектами в сцене. Очевидно, что объекты могут пересекаться, только если они расположены в одном и том же участке сцены. Такое дерево позволяет существенно снизить число попарных проверок и ускорить расчеты.
• Объекты clutter также выделяются в отдельное дерево, поскольку содержат большое количество элементов, включение которых в дерево объектов может нарушить его баланс.
• Дерево освещения обрабатывает все источники освещения.
• Дерево декалей обрабатывает декали.
• Дерево камер обрабатывает все виды камер.
• Дерево физических нод обрабатывает все физические силы.
• Дерево звуков обрабатывает все источники звука.

Разбиение мешей#

Для наблюдателя отдаленные объекты кажутся меньше, чем расположенные близко — это называется перспектива. В отличие от ортографической проекции, которая игнорирует этот эффект и позволяет производить точные измерения, в перспективной картинке чем дальше объект, тем он меньше размером, что добавляет реалистичности.

Пирамида видимости — это угол обзора виртуальной камеры для перспективной проекции. Иными словами, это часть пространства мира, которая видна на экране. Ее точная форма зависит от симулируемой камеры, но зачастую это просто усеченная прямоугольная пирамида. Параллельные экрану плоскости пирамиды называются ближняя и дальняя плоскости отсечения.

Поскольку угол обзора камеры не бесконечен, внутрь него попадут не все объекты. Например, объекты, которые находятся к зрителю ближе, чем ближняя плоскость отсечения, не будут видны. Точно так же и с объектами, которые находятся за дальней плоскостью отсечения, если она не выставлена на бесконечность (inf), или объектами, которые отсекаются боковыми поверхностями пирамиды. Все эти объекты в любом случае невидимы, поэтому можно пропустить их отрисовку. Процесс исключения объектов, которые не видны, называется отсечение по пирамиде видимости.

Для наблюдателя отдаленные объекты кажутся меньше, чем расположенные близко. Ортографическая проекция игнорирует этот эффект, позволяя создавать проектировочные и строительные чертежи в масштабе.

В ортографической проекции поле видимости представляет собой прямоугольный параллелепипед, проще говоря, прямоугольник. В отличие от перспективной проекции, размер видимого объема не меняется на всем его протяжении, поэтому расстояние от камеры до объекта не влияет на размер изображения этого объекта.

Еще один популярный способ оптимизации — исключение объектов, которые полностью скрыты за другими объектами, то есть зритель их не видит. Например, нет смысла рисовать комнату, которая находится за стеной, или цветы, скрытые сплошным забором. Эта техника называется отсечение загороженных объектов (occlusion culling). Частные случаи отсечения загороженных объектов:

• порталы и сектора (описано выше);
• загораживающие объекты (occluder);
• потенциально видимые части пространства. Пространство делится на участки, в каждом из которых находится набор полигонов, видимых из любой точки внутри этого участка. В режиме реального времени программа рендеринга просто использует заранее рассчитанный участок с учетом положения камеры. Этот подход обычно используется для ускорения процесса двоичного разбиения пространства.

Загораживающие объекты#

Аппаратная проверка видимости#

Стриминг данных — это прием оптимизации, призванный снизить просадку по производительности, которая связана с загрузкой графических ресурсов. Для этого данные подгружаются в оперативную память не все сразу, а по необходимости, и передаются в графический процессор отдельными асинхронными потоками, а все остальное загружается постепенно по запросу.

Система стриминга асинхронно загружает в оперативную память следующие данные:

• все текстуры, включая кубические, запеченные воксельные и запеченные тени;
• ObjectMeshStatic, ObjectMeshClutter и ObjectMeshCluster.

Система стриминга использует текстурный кэш, который состоит из минимизированных копий. Эти копии генерируются для всех текстур с пользовательским разрешением и хранятся в папке data/.cache_textures, чтобы использоваться вместо оригиналов, пока те загружаются.

Более подробно о настройке стриминга написано в статье Асинхронный стриминг данных.

Многопоточное обновление нод (включается при помощи консольной команды world_threaded) может существенно повысить производительность в таких случаях как, например, отрисовка большого количества систем частиц.

• Все ноды с одной общей корневой нодой в иерархии нод обновляются в одном потоке. Для параллельного проведения действий по обновлению нод их родители должны быть разными.
• Каждая ссылочная нода (Node Reference) считается корневой, у которой нет родителей (вне зависимости от ее позиции в иерархии нод). То есть, к примеру, системы частиц, которые будут содержаться в ссылочных нодах, всегда будут оптимизированы для многопоточного обновления.