unreal/UE5 数字孪生数据，场景和性能 经验技巧总结

JoshWindsor

随着近些年硬件性能不断增强，而游戏引擎有着很好的实时渲染能力，游戏引擎在数字孪生行业的效果表现端也在最近几年大放异彩，虽然多年前我就已经在用cryengine参与过一些电子沙盘和仿真模拟的项目，当时主要是在项目前期阶段建筑景观的漫游效果表现，和bim机电管线的碰撞检测，后来ue4和数字孪生概念横空出世，游戏引擎的应用面也越来愈广，我也有幸在那时接触到ue4，后来也参与了不少相关项目，最近正好有时间，把美术人员制作电子沙盘类型的数字孪生项目流程，从数据的接入到ui，蓝图制作的注意事项小总结下，详细步骤就不展开了，主要梳理一下思路和注意事项，可能需要一定的ue和dcc软件的使用经验，欢迎交流


美术场景导入和优化

1.高程和影像的导入和优化：

1.dem，dom数据的获取：虽然正式的项目中一般业务方会给到数据，但是在网上也可以找到30m精度的公开数据，只要注册就可以免费下载：



30m精度的公开免费数据

2.影像的导入：由于unreal默认只支持最大8192分辨率的图片导入，如果一张一张影像导入的话，非常费时，而且在材质编辑和地形拼接的时候采样也会很麻烦，所以在批量导入影像的时候要使用Streaming Virtual Texturing（虚拟纹理）和UDIM：



ue4开启虚拟纹理(ue5默认支持)

• UDIM：U-Dimension，可以使多张贴图映射到同一个模型的UV的不同区域，这样以来导入一个超大地形，只要把uv分好，就可以把分成tile的卫星影像映射到地形的mesh上：
  

模型的uv一般都是0-1之间，UDIM可以往外扩展

unreal支持的UDIM图片命名格式：BaseName.####.[Support Image Format]（Name.1001.png。。。Name.1002.png.。。。。Name.1003.png以此类推），只要导入第一张图，就会自动把其他的图片序列一起导入，在材质中引用这张vt，uv会自动按照UDIM的格式采样

• 虚拟纹理的相关文档:
  

Streaming Virtual Texturing
3.高程图的导入和优化：
第一种方式，对于超大地形的导入，一般也是采用分块的形式，在ue4中一般采用world composition的方式，这样可以把若干块高程影像（一般是16位raw或者png）以ue的landscape分块的形式导入到ue中，首先在world setting中打开world composition：


然后在level选项面板里选择导入相应的高程图，需要注意的是高程图的命名规则（xxx_x1_y1....xxx_x2_y2....依此类推）和卫星图分辨率与ue地形尺寸比例之间的换算关系（ue单位是厘米，dem一般是米，所以ue导入地形时scale一般都是100）：





地形图命名规则



官方给出的需要表现不同尺寸地形时，quads，section，和component之间的最优解

• 第二种方式：地形也可以通过houdini engine导入ue4，因为30m精度的高程图一般无法满足游戏引擎厘米级别精度的美术表现，所以可以采用houdini对地形进行预处理（对地形的侵蚀，遮罩，分辨率等各个参数灵活调节），输出成houdini的heightfield，再通过houdini engine导入到ue4，地形的精度可以大大提高，而且处理过程更灵活，之前也写了一篇文章：
  

houdini离线计算对地形侵蚀的结果



一键导入ue4

而且houdini支持ue的world composition ，（使用houdini 的heightfield_tilesplit，可以对原始地形灵活分块，无缝导入到ue4中，自动生成WorldComposition）

• 第三种方式就是ue5的world partition，这不仅仅是对大规模地形动态分块方案，而是对actor，datalayer，levelinstance，hlod等的整体解决方案，非常优雅，具体用法就不展开，文档如下：
  

World Partition
2.灯光的优化

1.ue4：
数字孪生场景中一般全动态光照和昼夜变化都是强需求，所以第一步，直接project setting中把静态灯光关掉：


近距离的动态阴影一般都是csm，要注意距离和精度的参数调节，是性能消耗的大户：



默认可调最大距离只有200m

但是当相机距离太远时，csm的距离远远不够，这个时候需要用far shadow和distance fieldshadow来弥补远处阴影精度的不足，far shadow可最远设置8km，csm默认只有200m，但是要注意，far shadow需要打开static mesh的对应开关，distance field shadow不支持材质的顶点偏移，







far shadow最大可调距离可到8km

<li data-pid="BJJnyoav">在表现物体自身阴影的时候，需要打开contact shadow提高自阴影精度，但是contact shadow是基于屏幕空间的，这一点需要注意，相关文档：

无contact shadow



有contact shadow

2.ue5：
同样，ue5提供了统一的，优雅的，简洁的阴影解决方案：virtual shadow map，只需要打开相应选项即可，



项目设置中打开即可

但是据我测试下来，vsm在5.03的默认消耗也很高，目前也处于beta阶段，需要通过command进行大量的参数调节，相关文档如下：
虚拟阴影贴图
总的来说，阴影是是渲染消耗的大户，还要结合阴影精度，距离，场景中物体数量，面数，材质，后期等各个方面综合调节，才能在效果和性能之间找到平衡，主要debug手段还是通过editor自带的gpu visualizer（pie下ctrl+shift+，）查看各个pass的时间：


3.模型的优化

1.instance mesh：在数字孪生城市场景中，会有大量的电线杆，围栏，垃圾桶等小物件，这些都需要合并成instance，否则会增加巨大的drawcall，当然也可以在场景中手动摆好mesh actor，再用一些instance工具或者插件，或者写脚本把static mesh actor转换成instance。



黑客帝国场景中的电线杆



商场里instance转换工具

2.spline mesh：建议使用editor自带的merge actor功能，合并成static mesh在放到场景中



merge actor 工具

3.static mesh：bouding比较大的mesh建议分块，这样更有利于裁切，不需要cast shadow的mesh要把cast shadow关掉，比较小的物体要设置合理的draw distance，镜头较远的时候直接隐去，场景的整体draw call数量可以通过stat rhi中的draw primitive calls获得，对于城市鸟瞰场景，建议对建筑群使用hlod，以降低drawcall。



stat rhi



3. 材质的制作和优化：

1.雨雪材质
一般使用ultra dynamic sky内置的雨雪材质函数即可
2.用好world align texture，根据世界坐标投影的材质，无视mesh的uv，可以用在建筑玻璃幕墙，地砖，路面等材质上，灵活的调整全局uv的缩放。


3.夜景材质：如果想做出很真实的夜景灯光材质，并且平衡好性能是一件比较困难的事情，通常3dmax制作的建筑景观动画中，会使用很多光源来模拟街道商铺的热闹与繁华，但是在游戏引擎中肯本吃不消这么多光源的消耗，下图所有的建筑全部都是用同一个shader，所以也造成这个材质非常复杂，但是也比打灯的性能消耗好很多，我在材质中根据建筑的高度，位置，等信息做了大量的贴图，发光颜色，亮度，位置，霓虹灯流动速度，方向，范围等等的随机，整体uv也是根据世界坐标投影，这样就做到了全称建筑夜景效果的相似而不相同。当然还是有很大的优化空间。


4.合理使用decal

<li data-pid="MXqYe6iO">城市鸟瞰场景中，特别是表现夜景的时候，避免不了很多的点光源等用来表现城市的繁华，但是由于整个城市场景并没有分光照uv，动态光源消耗太高，也不是很好的选择，比如下面这个场景，2020双十一8k大屏，我当时在陆家嘴的沿街的道路，和建筑外立面使用的大量的decal（可能看不太清，），来模拟灯光，并且设置合理的裁切距离，最终才使得整个场景保持在8k，45+fps，整个场景中只有一盏平型关和一个天光。

官图



实在没有高清视频

道路上的车道线，也可以使用decal材质+meshinstance的形式：



黑客帝国中的车道线

5.zfighting问题

• 在城市鸟瞰场景，经常会由于地面上的mesh的面离得很进，会产生zfighting的问题
  

1.如果两个物体完全重叠，且不方便改变物体transform，可以使其中一个物体的材质顶点偏移解决


2.动态设置camera clip：如果两个物体没有完全重叠，可以通过调大camera near clip plane的方法解决，通过执行命令：r.SetNearClipPlane xxx ，当然如果要从鸟瞰视角切换回车内视角或者第一视角，要再把近切面再设回去，否则会出现相机裁剪过大的问题。



near clip plane 30



near clip plane 300



数据接入

1.fbx等美术资产的导入

• fbx导入选项：一般数字孪生场景都是鸟瞰视角，所有一般来说，大部分的模型导入是不需要带碰撞的；鸟瞰视角会采用的光照也基本是都动态光照，所以也不需要生成lightmapUV；除非在dcc软件中做好了UCX碰撞，一般也不需生成ucx碰撞，大量重复建筑导入的时候，尽量导入单体，在ue中做实例化，不要在dcc软件里面combine后再导入。
  

2.gltf的导入导出

• 数字孪生项目中，会和前端同学有很频繁的沟通，前端用到的3d模型大都是glb/gltf，unreal默认不支持gltf的导入导出，但是官方有两款插件：
  

源模型uasset



转换后的glb

• 用gltf export这个插件导出gltf/glb的最大的好处是有合并bake贴图的功能，会把uasset的若干个material slot合并成一个slot。
  

2.GIS数据接入（shp，osgb）

• unreal默认不支持gis数据的接入，可以采用格式转换成fbx，shp文件还可以转换，osgb动辄数tb的数据量，直接导入引擎是不现实的，可以采用cesium lab来处理数据，发布成3dtiles服务，通过http请求的方式，cesium for unreal来加载通用的gis数据服务：
  

cesium官方的免费工具 cesiumlab



可以发布影像，瓦片服务

对于unreal来说ceium for unreal补全了游戏引擎在数字孪生场景表达上的几个痛点：
    1.超大数据量的3d模型流式加载，
    2.通过不断变换经纬度参考中心点，解决ue transform精度为float无法精确表达经纬度位置球面坐标的问题，
    3.基于经纬度的太阳光照（后来ue也有了自己的georeference插件），玩家重力等物理问题，
    4.通过一个很trick的方式实现了unreal中单体化数据查询和对不同数据layer可视化展示。



图片来源cesium文档，

• 文档链接：
  

Cesium for Unreal



cesium for unreal 加载的3dtiles服务

3.业务数据接入（csv，xml，json，wss ，mqtt...）

ue蓝图的数据处理能力比较弱，特别是大量数据并行处理的时候，对于美术来说，一般业务数据的接入都要借助插件：

• 对json的操作：一般使用varest这个插件，里面包括了大多数json数据处理的方法，包括encode，decode，网络求，读取保存等，只需要一点json数据结构和网络请求相关的基础知识就可以灵活使用，需要注意的是，蓝图处理大数据量的json会肯卡，如果数据量很大，老老实实用c++。
  

varest主要的函数都在这几个头文件里

• csv：ue自带的datatable可以将特定格式的json，csv文件快速导入导出,：
  

那怎么才能快速知道ue支持的序列化后的csv和json的格式呢：直接通过一个struct创建一个datatable然后导出，按照导出的格式拼接csv或者json即可。



datatable右键导出json



导出后的json格式

• 视频多媒体：unreal支持本地视频流，stream media，图片序列的导入，这几种mediasource都可以在content browser直接创建，这里就不过多赘述，但是unreal的一个mediasource--mediaplayer--mediatexture--material--play的链路实在太长，
  

支持的编码格式



unreal支持的视频流

• http/wss/mqtt：http请求和websocket链接，在商城中都有很多插件，只要有一些基础的网络编程的知识即可。
  

免费的websocket插件



免费的http请求插件



mqtt插件

• 和前端网页图表的整合：unreal嵌入前端网页图表一般有两种方式，
  

1.通过pixels streaming 推流的方式，把unreal的渲染画面推送到浏览器上，这种方式优点是网页的兼容性很好，因为本身就是用浏览器渲染网页，缺点是推送ue的渲染画面对带宽的要求较高，一般来说最高支持4k编码，而且有延迟，pixels streaming的相关文档：
2.是把浏览器的网页嵌入到unreal的umg里，虽然umg有内置的web browser，但是cef的版本比较低，渲染网页性能较差，商城里虽然有很多浏览器插件，但是大部分的插件都是基于unreal提供的默认webbrowser模块，最好找一些cef版本比较高的插件，这样对网页的兼容性更好，性能也更优（也更贵）。

蓝图优化

1.优缺点

• 首先说一下蓝图的优缺点：最大的优点同时也是缺点都是，在只需要基础的编程知识的情况下，就可以开发出完整的游戏逻辑，在这种情况下，的确是大大降低了开发的门槛，同时也对开发大型项目后期的维护迭代带来风险和挑战。
  

2.老生常谈的性能问题

• 通常情况下认为，功能开发迭代效率可能比c++高10倍，但是性能比c++差100-1000倍，但是并不完全正确，原生的c++和蓝图的确如此，但是目前ue自带了把蓝图自动转成c++的功能，再把蓝图转成native c++ code后，纯逻辑运算下蓝图和C++的性能差距不超过两倍，在reddit上有人做过简单的对比，但是项目发开中肯定会比这复杂得多，这个仅供参考：
  

3.从左往右从上往下

• 下面几种情况可能是常见的新手连出来的蓝图，显然看起来根本没法维护：
  

.......

• 所以建议蓝图连线也遵从从左往右，从上往下的规律，既能清楚的看到执行逻辑的顺序，也能充分的利用屏幕大小，
  

ultra dynamic sky 的bp

4.使用re route来减少连线的交叉




使用 re route



不使用 re route

5.函数尽量有return node

虽然蓝图的函数没有return也可以运行，但是还是尽量添加return，这样可以在函数early return 的时候可以方便清晰的找到



给函数添加return node示意

6.蓝图要添加注释

蓝图函数和逻辑节点建议添加注释和tooltip描述，注释的颜色可以根据项目需求实现定义好规范（比如tick逻辑用蓝色，beginplay逻辑用浅红色，错误处理用红色，临时测试用灰色等等）





函数可以添加描述

7.使用BP function library和macro library

把项目开发中常用的函数封装成静态的蓝图函数，可以在任何bp中调用


但是要注意bp function library的函数不应过于冗余和复杂，而且减少复杂蓝图class不必要的cast，因为cast会引用bp的hard reference，加载一个bpfun lib，macro lib，会把所有引用的资源加载进来，避免在里面使用hard ref的操作，把整个bp加到内存中，可以的话可以cast到c++的父类，参考自：
简单说一下hard reference和soft reference：前者是蓝图中常用的，引用的话会加载整个object；后者只是记加载一个文件路径。
8.蓝图review和diff

review的话无需多说，
diff的话比较麻烦，git的默认不支持二进制文件的diff，建议可以用unreal的perforce插件，可以在unreal的editor中很方便的checkout/in，commit，push和diff，p4真的非常非常方便。





蓝图diff

9.蓝图和c++的平衡

• 首先要明确蓝图和c++的优势所在，蓝图在项目前期原型迭代的时候很方便，而且蓝图就算出现了空引用或者数组越界等问题也不会出现程序的crash，所以相对c++来说很安全；但是c++具有很好的runtime性能，能更完整的调用api和充分的利用引擎的功能，更广泛的访问第三方库帮助蓝图拓展功能，更方便的版本管理。
  

项目原型设计阶段：蓝图
项目功能开发阶段：可以把部分必要的蓝图转成原生c++，底层架构设计c++，数据处理相关功能c++
项目完成开发阶段：蓝图自动转为native c++code



图片来源uod2022的演讲

10.c++header preview：

ue5.10增加了 c++ header preview的功能，简单来说就是bp class所有的函数和节点转成c++代码的头文件预览，更方便蓝图开发人员熟悉c++。


umg的优化

umg是一个比较难用而又不得不用的UI框架，
1.贴图可以关掉mipmaps，texture group 选择UI






2.ui的发光

由于umg的渲染不经过unreal自身渲染3d场景的延迟渲染管线那一套，所有也没有postprocess的bloom效果，我这边尝试了用把贴图模糊掉，和原有的颜色做了一个简单的叠加，应该有其他更好的方法，欢迎交流。





材质节点很简单

3.使用listview

在制作列表类型的ui时候，如果item数量很多的情况下，不要使用vertical box，要使用listview，可以显示成千上万行entry，而又不耗费很多性能，使用时要注意item和entry的区别，可能有1000个entry，但是只显示5个item，所以一个item可以表示多个entry，listview的使用稍显复杂，这里就不过多介绍，




treeview是listview的子类，增加了树状结构，有展开和折叠的功能，可用于做类似于世界大纲视图的umg
4.ui上显示模型

一般在umg上显示模型，使用scenecapture2d，捕捉一张rt，然后再把这张rt显示在UI上，整个过程比较简单，但是要注意的是scene capture 2d很耗性能，记得关闭实时捕捉，并且捕捉的分辨率不要设置太大。


还有一种是slate有一个smeshwidget的类，可以直接渲染模型，但是可惜的是暂时没有暴露给蓝图，文档：
5.image，border，和box

新手在设置umg的widget的style的时候，可能会困惑这几个的区别，调参起来也不直观，可以把uv的颜色直接给到brush的颜色，就能看到这几种style对uv采样的区别：



uv采样的区别

6.使用retainer box

对于比较复杂也不频繁更新的ui可以使用Retainer box包起来，本质上是把它的child widget渲染成一张rt，需要刷新的时候再刷新。


常用效果的制作

1.poi点

• poi点一般采用static mesh instance的方式，poi点击查看等交互可以通过line trace返回的item 来获得点击到的instance 的id，再去根据id请求对应的数据。
  

仅作为示意

• 或者3dwidget的方式，但是3dwidget的形式据我测试下来消耗比较高，如果有大量文字内容的poi需要显示，建议使用textrender组件，但是也要注意，textrender需要预先制作中文字体：
  

2.飞线

飞线一般使用beam粒子，设置起始和终点位置，和切线即可


3.热力图

很早之前写过一篇热力图的文章，最核心的就是如何把经纬度的热力数据转成灰度图，并且驱动niagara gpu粒子的参数
待续。。。.

参考：

大概先总结这些，欢迎大佬们随时交流，最后祝兔年快乐，开工大吉