Unreal Engine地形系统辨析(一)

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Unreal Engine的地形系统称之为Landscape，每个level里面可以存放多个Landscape的Actor(但不能对它们进行连续编辑，也就是说相邻两个landscape是不能被同一个brush修改的)。地形被均匀的切割成多个小的地块，这些地块名为Landscape Component，每个Component可以持有最多2x2个SubSection。而每一个SubSection是由多个quad组成的，这些quad是地形topology的最小单位。由于地形mesh的顶点信息记录在heightmap里，也就是顶点纹理中，所以它的分辨率尽量是二的指数幂。因此quad行和列的数量肯定是一个奇数，例如31x31,63x63等，对应的顶点数量为32x32个和64x64个。
相邻两个Component的边界处的顶点信息是一致的，它可以保证在渲染时不会产生crack，当然vertex shader中还有相应的stitch算法能够消除由于邻接的patch使用不同lod而导致的t-junction现象。根据地形的视觉误差计算结果，每个LandscapeComponent会自动的选择对应的lod，高等级的lod会比低一个等级的lod所对应mesh少一半的quad。所以63x63的quad，只会有6个lod(63x63，31x31，15x15，7x7，3x3，1x1)，如果想增加lod的数量，只能去增加subsection的quad数量，换句说每个Component最多只能退化成2x2个quad。这对于比较大的地形来说drawcall数量就可能变得很多，因为地形culling的最小单位是Component，如果是一个subsection的quad数量为63x63，且有2x2个subsection的component，假设一个quad是1m的大小，那么一个component最多可以覆盖126米的范围。随着lod的升高，mesh会越来越稀疏(即三角形数量变少)，当使用最高等级的lod时，126米的区域会用4个quad来表示。当前component如果可见，最多会形成4个drawcall(如果这四个subsection的screen size差异不是很大，它会自动合并成一个drawcall)。在视锥内且不没有被遮挡的Component一旦很多，那么相应的drawcall也会暴涨。通过调高subsection的quad的数量来减少drawcall似乎不是一个好的办法，因为如果culling粒度太大，会降低culling的效率，导致很多不在视锥内或者被遮挡的三角形依然会被处理。而且由于不同的lod，它对应的mesh的稀疏程度不同，导致drawcall里面处理的顶点数量也不尽相同。
ue4的实现是基于金字塔状的geometry mipmapping的平铺结构，而unity的地形是基于quadtree的层级结构，它们各有各的优势。首先ue4的地形块之间数据耦合度很小(每个component拥有自己的weightmap和heightmap，这些数据不需要跨component进行读取)，它可以为每个component计算当前帧的lod值，互相比较独立，完全能够并行处理，只是收尾阶段要获取四个邻居的lod值，把它们传给shader用来做stitch。但是unity的实现需要从根部开始遍历这颗四叉树，如果当前的等级满足要求就不再往下递归，直接把当前等级的顶点信息提取出来，应用到一个固定的17x17个顶点的topology上。这样就保证了每个drawcall处理的顶点数量都是一样的，只是由于邻居的lod可能与自身的lod不同，需要选取不同的indexbuffer而已。为了减少topology的模式缓存数量，lod算法要保证相邻两个patch之间的lod差不能超过一，否则就会出现crack。而ue4的stitch算法似乎没有这些顾虑，弹性也因此更大。
由于unity的地形patch是用quadtree管理的，所以为了并行化视锥culling，它需要把quadtree遍历阶段的结果先缓存起来，放入到一个线性数组中，等到后面再与其他的renderer一起处理。反观ue4的地形，虽然每个component单独管理一个patch比较灵活，但是drawcall的数量会相对较多，尤其是那些较为平坦的地块，或者是距离摄像机较远的地块，基于quadtree的方法可能就只会使用到一个16x16quads的patch去表达，而ue4的方案如前所述，由于component覆盖的区域面积是固定的，所以它会生成更多的drawcall，甚至要处理更多的三角形。不仅如此，由于mesh退化程度有限，远处的mesh在光栅化后可能会出现overshading。
现代的桌面显卡和图形api对于drawcall和顶点处理似乎不那么敏感了，但是像素的处理由于量级太大，所以很难忽略它对性能的影响，尤其是纹理的采样和overdraw。ue4方案利用shader的static permutation的功能，有效的降低了材质中纹理的采样数量。不过如果unity能早日祭出virtual texture(不需要运行时混合多层的纹理)这一利器就另当别论了。