性能解析：在UE4中创建真实的草

xiaozongpeng

1介绍
大家好！我是Nils Arenz. 书接上文，在上一篇文章中，我给大家分享了，如何在UE4中创建逼真的植被。这也是我作为一名植物艺术家职业生涯的开始。由于我拥有计算机图形学理学学士学位的教育背景下，我想尽可能地发挥它的价值。因此，我花费了数小时来分析，不同植被解决方案的性能对比。
2关于
在这篇文章中，我想谈谈最常用的植被“草”。在Unreal中用浓密的草填充整个地面是一项复杂的任务，我想分享我在过去半年中，研究和设计植被时获得的小经验，并构建下一代游戏中使用浓密草的想法。
本文的目标是为下一代应用程序，创建植被相关的技术做准备，因此，在深入讨论Shader细分之前，我想给大家同步一些关于着色器相关的问题，以及，当下的技术状态，以便更容易理解本文。为了尽可能缩短这个篇幅，我把重点放在了最重要的部分上，这样你就不必阅读太多的页面了。请记住，所有测试都是在Unreal Engine 4中完成的，我也很确定，在其他引擎上也有一些相似的问题。
在谈到这个话题之前，最后一件事是：关于我制作的植被资产，将作为赞助内容的一部分，在UE市场上提供免费下载。这个资产工程文件，使用了我将要介绍的这一篇技术，别忘了试一试。（文章末端有链接）
3主流解决方案
对于草地的解决方案，最传统的方法仍然是将处理好的albedo贴图，贴到模型片上，并将该模型片相互穿插堆叠，在此基础上创建出一个三维的草丛。这样做的优点是顶点是，模型面数非常低，如下图：



这种方案的最大的问题是大量Alpha通道的消耗。而你要想获得相对密集的效果，还得增加插片模型的数量，而且，每个模型片又相互穿插堆叠，可以想象，我们的shader就必须花费大量的计算。
这些计算可以分为两个问题：

• 实际计算过程过于复杂
  
• 遮罩外出现性能浪费
  

四边形透支
四边形透支，是个像素限制的问题，这就意味着像素越多（分辨率方面），这个问题就越明显。通常来讲，GPU使用四边形（2×2的像素块）而不是单个像素进行计算。如果你有很薄的物体（比如草），你会浪费很多被丢弃的像素。这就是为什么小的模型对象，会花费你很多GPU计算量。如下图，显示的红色越多，性能越差。



相对复杂的Shader
在Unreal和其他类似的CG应用程序中，透明度非常昂贵的。这就是为什么你应该把它保持在尽可能低的水平。在UE4中，如果涉及草或其他植被，则Shader的复杂性是瓶颈之一。如下图，这种形象化很容易理解，红色表示差，空白表示非常差。这个颜色相当于是GPU必须为每个像素计算的每个Shader指令的总和。以GeForceGTX1070为例，拥有1920个CUDA处理器，核心频率1506~1683MHz，每个时钟周期就可以执行一行着色器代码。因此，着色器代码越长（Shard的复杂性），渲染过程越长。



4测试方法
为了减少着Shader的计算量，我决定尝试对每片草单独建模。就顶点数量而言，这点不是很重要，请不要低估了当下GPU和Object-Instancing（实例对象）。此外，我们还为您提供了使用Pivot Painter 2.0工具，用来模拟真实的风动画，并提供了更精确和高质量的建模。对于我的资产，我使用了每片草1到8的多元计算。

5性能解析

在本文的这一部分中，我将展示这两种方法，并通过分解渲染过程，来解释它们之间的差异。对于测试，我构建了两个外观精确的草丛：一个使用传统的插片的方法，另一个使用“真实的网格模型”。草丛是通过使用“Landscape”这个节点，在地面材质上生成的草丛。通过图片可能看起来不完全相同，但这是由clusters的程序生成的，但是，密度是相同的，所以，我们比较的每张图片的时候，你可以看到相同数量的草丛。
以下是两种方法的技术细节：




每款游戏的生态环境都是完全不同的，这就是为什么我要做分解，并向大家展示它们之间的性能差异。对于每个细分，我将根据配置文件，输出百分比着色时间的对比图。为了节省您的时间，我将所有信息简化如下：



这意味着：使用我的方法可以使DrawCall增加47%，但总体性能提升81%。
下面是关于RenderPass及其他相关内容的小说明。

• Drawcalls：GPU为每帧必须执行多少Drawcalls。
  
• Overall：包括所有渲染过程的总渲染时间。
  
• Prepass：在Prepass中，UE根据实例到摄影机的距离对Instances进行排序，相当于DBuffer
  
• Basepass：运行着色器（材质）以创建GBuffer。
  
• Shadow：所有阴影相关过程的组合（阴影深度、灯光、灯光合成等）
  

Cull Distance


不同密度


不同视图角度


阴影和非阴影
一些引擎开发人员不使用阴影作为草地的一部分。这就是为什么我还想添加一个阴影的测试。因为，地面树叶上的阴影很重，它们太过出戏。但是，在没有地面阴影的同一场景中，单个模型草丛的性能提升也将近190%了

6实际游戏场景

在游戏中，除了渲染草地，还有更多的事情要做。最后一个测试是一个完全构建的环境，有粒子效果，动画，大景观，岩石，树木，以及其他结构和蓝图也在后台中运行。另一个想法是，在场景中设置一个相对多的模型数量，我们使用中等密度的数值，覆整个地面。在下面的GIF中，你可以看到这个场景。请忽略这个场景的创意。


结果可能看起来非常戏剧化，但请留意，场景中只有一个有草的Landscape。

7直观分析

由于我在上一篇文章（开头的链接）中已经谈到了视觉优势，对我来说，看到地面每一片草叶都是3d模型，这让人非常高兴，我们看不到这些植被是那种插片的模型。其他植物在实际效果中，看起来会比插片模型要好。对我来说，下一个重要的事情是动画。如果你看一片有风的草地，你会看到每一片草叶都在单独移动。正如我之前说过的的那样，建模可以使用pivot painter tool 2.0来获得逼真的风效果。在下面的 GIF 中，您可以看到我用我的资产制作的一些游戏场景。








优点：
模型端对LOD的优化，可以很好的控制
更容易创建结构更复杂的自然植物
更好的视觉质量
缺点：
移动端不友好（模型顶点数量过多）
创建资产过程时间比较长
并非适合所有类型的植被

7结论

在评估了所有这些不同场景后，我开始质疑自己的方案：仅仅是为了更少的着色器计算，而增加顶点数吗？但是，在我看来绝对值得。当然，你必须以正确的顺序制作这些，并为创作过程，我们需要计划更多的时间，但视觉效果和性能方面孰轻孰重，就需要我们对这方面深思熟虑了。总的来说，我们通过简单的提高密度之后，可以看到的草会越多，那么，通过剔除优化草植被的重要性就越大。自然环境非常复杂，充满了各种不同的植物，使用更高的顶点数的植物会更加逼真和高效，是我未来几年一直期待的事情。

8提示&技巧

在拆分了性能的影响之后，我想就如何在资产创建过程，进行一些提示。这一切都始于对植被的扫描，以及你应该选择哪些确切的植物部分。需要我们注意的是尽可能少地使用不透明蒙版！当你选择要使用扫描的植物时，你必须知道，是否可以有效地对这部分进行UV处理。
在下面的图片中，您可以看到哪些草叶是对的，哪些是应该尽量避免的。


下一个重要的事情是，我们需要一个超级准确植物UV！让每个像素都是充分利用的。如果你做得好，你可以节省很多性能开支。
在不透明度贴图上不使用mipmapping 也能够提高整体性能。使用活动的mipmapping，alpha蒙版也会根据您的位置进行下采样。采样的结果将在空白之间进行线性插值计算，并且那些空白的地方将消失，但渲染仍然会计算完全透明的区域。

避免Shader出现问题的另一个观点
为了完全避免Shader的问题，我建议完全使用纯mesh的解决方案。但这只适用于最简单的草叶。这种方法的整体性能非常好，因为你有一个低性能消耗的Shader再加适当的顶点作为整体的视觉平衡。这种方法的缺点是相对的缺乏真实感。在下面的图片中你可以看到我的结果。这让你可以在一个fps超过140的大场景中，将草的筛选距离提高到15000。