体素引擎，来自元宇宙的基本问题2·实现路径

RhinoFreak · 发表于 2022-1-5 21:15

上一篇文章中，我介绍了体素的价值，并且自己尝试着剔除多余的三角面进行渲染，但是做完之后一直感觉自己是野路子，因为渲染确实成功了，但我都渲染方式对编辑操作并不友好，特别是在对比MagicaVoxel的一些场景后，更加疑惑到底他是如何做的那么快的。例如MagicVoxel最大支持256^3这么多的体素（去年刚刚提升到这一规模），然后可以生成一种随机的网格：

对于这种网格，大量的面会保留下来，instancing的数量惊人，然后在此基础上，支持resize：

几乎无延时地缩减整个尺寸，如果用我曾经使用的剔除方法，这时候上表面都无法构成立方体，全部都是镂空的。
带着这样的问题，我开始尝试搜索magicaVoxel背后的方法，无奈这是一款闭源的软件，找到了一款C写的Goxel，但是C的代码几乎看不清结构，最关键的是，这款尝试模仿MagicaVoxel的软件只支持32^3这么多的体素，在这个规模下很多事情都会容易很多。
在我苦思冥想之时，甚至开始怀疑上面这个场景用的是Cone Tracing，但后来翻看了作者在Twitter上的一些内容，感觉ConeTracing只是他曾经实验的一种方案而已，并且实际上SVO能够支持的体素规模也大部分在2000^3以上，256^3这样的规模，应该还是可以通过传统光栅化的路径解决的。
PolyVox

在知乎，Reddit上检索一圈之后，终于找到了解决方案。看到了一个06年就诞生的远古项目：
我不知道MagicaVoxel的作者是不是有参考过（毕竟他对于开源这件事总是闭口不谈），但从时间来看，2010年诞生的MagicaVoxel应该了解这方面的内容。最关键的是，这一远古项目的作者对体素渲染这件事做了很多的普及工作，并且在Game Engine Gems上介绍过自己的工作《Volumetric Representation of Virtual Environments》：
并且作者到现在为止还在体素渲染上做一些事情，这个后面再说。
这套代码的主要思想其实就是表面提取，有一系列的文章进行过介绍：
在数据结构上，采用了如图的形式：

立方体体素可以被切分为8个block，但是这些block只是block data的引用计数，因为block是可以通过材质共享的，因此在网格提取的时候，也要按照相同材质进行合并。从代码上看，作者提供了PagedVolume和RawVolume两种类型，前者就是分块，后者则是统一存储，他建议只有当规模遇到瓶颈的时候，再去考虑分块的做法，因为采用了模板的方式，所以切换底层数据结构对用户是无感的。在CubicSurfaceExtractor当中分为以下几步：
网格提取

对六个面都提取网格，这一步和我上一篇文章的做法如出一辙：
// X
if (isQuadNeeded(currentVoxel, negXVoxel, material))
{
uint32_t v0 = addVertex(regX, regY, regZ, material, m_previousSliceVertices, result);
uint32_t v1 = addVertex(regX, regY, regZ + 1, material, m_currentSliceVertices, result);
uint32_t v2 = addVertex(regX, regY + 1, regZ + 1, material, m_currentSliceVertices, result);
uint32_t v3 = addVertex(regX, regY + 1, regZ, material, m_previousSliceVertices, result);

m_vecQuads[NegativeX][regX].push_back(Quad(v0, v1, v2, v3));
}
网格合并

将同一切面，同一材质的网格进行合并，方法就是贪心算法，不断冒泡迭代直到没有可以合并的对象：
template<typename MeshType>
bool performQuadMerging(std::list<Quad>& quads, MeshType* m_meshCurrent)
{
bool bDidMerge = false;
for (typename std::list<Quad>::iterator outerIter = quads.begin(); outerIter != quads.end(); outerIter++)
{
typename std::list<Quad>::iterator innerIter = outerIter;
innerIter++;
while (innerIter != quads.end())
{
Quad& q1 = *outerIter;
Quad& q2 = *innerIter;

bool result = mergeQuads(q1, q2, m_meshCurrent);

if (result)
{
bDidMerge = true;
innerIter = quads.erase(innerIter);
}
else
{
innerIter++;
}
}
}

return bDidMerge;
}
Buffer重整

对于合并后的顶点，剔除没有用的顶点并且对index的指标做重新映射：
result->removeUnusedVertices();
Cubiquity

即使如此，MagicaVoxel上还是留下了一个问题，即上述的方式可以合并同一ID的材质，但是MagicaVoxel还可以随机颜色：

这使得无论是立方体的位置还是材质都充满了随机性，几乎没有合并的可能，这样的情况下竟然还可以非常流畅地运行，不过从这张图中可以明显感受到使用了LOD，即距离相机近的这个角立方体看起来大一点，远处的要小一点。对于体素的LOD，PolyVox提供了一种方案就是通过VolumeResampler采样两种尺度的网格，近处可以使用较高的分辨率，远处使用较低的分辨率。
但除此之外，可以做的更加精细，因此，为了让开发者更加方便，作者又开发了一个上层封装Cubiquity，这一上层封装直接对接了Unity和Unreal的插件，使得在编辑器当中就可以进行处理：
在这层封装当中，作者又整合了Octree的结构：
void ColoredCubicSurfaceExtractionTask::process(void)
{
mProcessingStartedTimestamp = Clock::getTimestamp();

Region lod0Region = mOctreeNode->mRegion;

//Extract the surface
mPolyVoxMesh = new ColoredCubesMesh;
mOwnMesh = true;

uint32_t downScaleFactor = 0x0001 << mOctreeNode->mHeight;

ColoredCubesIsQuadNeeded isQuadNeeded;

if(downScaleFactor == 1)
{
extractCubicMeshCustom(mPolyVoxVolume, mOctreeNode->mRegion, mPolyVoxMesh, isQuadNeeded, true);
}
else if(downScaleFactor == 2)
{

Region srcRegion = mOctreeNode->mRegion;

srcRegion.grow(2);

Vector3I lowerCorner = srcRegion.getLowerCorner();
Vector3I upperCorner = srcRegion.getUpperCorner();

upperCorner = upperCorner - lowerCorner;
upperCorner = upperCorner / static_cast<int32_t>(downScaleFactor);
upperCorner = upperCorner + lowerCorner;

Region dstRegion(lowerCorner, upperCorner);

::PolyVox::RawVolume<Color> resampledVolume(dstRegion);
rescaleCubicVolume(mPolyVoxVolume, srcRegion, &resampledVolume, dstRegion);

dstRegion.shrink(1);

//dstRegion.shiftLowerCorner(-1, -1, -1);

extractCubicMeshCustom(&resampledVolume, dstRegion, mPolyVoxMesh, isQuadNeeded, true);

scaleVertices(mPolyVoxMesh, downScaleFactor);
//translateVertices(mPolyVoxMesh, Vector3DFloat(0.5f, 0.5f, 0.5f)); // Removed when going from float positions to uin8_t. Do we need this?
}
}更大的规模

这套代码从06年开始到现在，可以称得上远古了，初看的时候我很怀疑他的可读性，没想到结合作者的文章和代码非常容易入手，实际上这套代码是我在看另外一套体素引擎的时候注意到的：
这套引擎封装了PolyVox，并且提供了一系列更加高级的封装包括编辑器的细节，以及体素文字，体素树的生成器等等。如果想要更加贴近应用，可以参考这套框架，这套框架同样也是基于组件架构的，非常容易入手。
好了，通过表面提取的方式可以处理大概512^3这么大的体素网格，在作者的文章中也展示过效率，他建议在时间上进行切片，大概2-3帧就能够完成数据处理的操作，用户基本上是无感的。但是更大规模的体素要怎么做？近年来SVO和Cone Tracing大行其道，知乎上有非常多的文章介绍其中的实现。更随着PolyVox的视野，也可以看到他在逐步尝试更大规模的体素编辑：
Cubiquity项目已经停止更新，目前作者正在开发Cubiquity2：
这一项目更多是实验性质的，主要基于DAG-SVO结构：
总结

TearDown是近年一款广受关注的体素游戏，用户可以随意破坏场景，这款游戏基于的方案还是Polygen的，即提取体素的三角面，而另外
也开始公测，体素的尺度更小，却可以提供无限的操作细节。在DAG-SVO方法的论文中，展示的就是在这种微体素的情况下实现实时场景编辑的方法。
通过这样的调研，Minecraft风格的体素游戏对我来说已经驱魅了，从而也对后面引擎的技术发展有了一个基本的预期，包括Octree场景管理，合批或者Intancing等等，并且结合物理引擎可以尝试一系列的场景和编辑器技术，如果有一些进展，再来同步给大家。体素这件事，看起来简单，实际上有很多人在尝试，在Reddit上有一个讨论帖，每周都会有人过来同步进展：
这种技术氛围很值得我们学习。

xiaozongpeng · 发表于 2022-1-5 21:20

对于大规模体素渲染，感觉UE5那套软光栅是不错的优化方案。体素真的酷……

maltadirk · 发表于 2022-1-5 21:21

我印象中UE5的软光栅只是为了做剔除，UE本身并不做体素渲染

jquave · 发表于 2022-1-5 21:29

不是体素渲染，单纯是渲染。
软光栅时忽略掉比像素还小的三角形。感觉体素规模大了，应该会遇到类似问题。

Arzie100 · 发表于 2022-1-5 21:38

非常好的文章[赞]

RecursiveFrog · 发表于 2022-1-5 21:43

软光栅好像是为了防止overdraw的

Ilingis · 发表于 2022-1-5 21:51

谢谢

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