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如何優化大場景實時渲染？HMS Core 3D Engine這麼做

2022-12-20 12:00:35

在先前舉辦的華為開發者大會2022（HDC）上，華為通過3D數位溪村展示了自有3D引擎「HMS Core 3D Engine」（以下簡稱3D Engine）的強大能力。作為一款高效能、高畫質、高擴充套件性的3D引擎，3D Engine不僅能通過實時光追、水體渲染、體積雲霧、多維GPU粒子系統等技術還原真實世界的物理表現，對於大規模數位世界的實時渲染，3D Engine同樣也能為開發者提供有力的技術支援。

大規模數位世界的需求與挑戰

今天，如何更好地實現大場景下的實時渲染，已經成為行業的熱門話題，相關技術在眾多領域都有著廣闊的應用前景。我們可以明顯感受到，從3D遊戲到虛擬現實，從三維GIS到數位城市，涉及場景的規模都在呈指數級增長，部分遊戲中的世界地圖甚至沒有邊界。可以說，大規模場景的實時互動渲染能力正在成為構築數位世界的基礎設施。

然而，這並非易事。

場景規模的擴大帶來的結果就是海量的內容和資料。一個城市涉及的物件數差不多是百萬級，面片數更是可能達到億級，而硬體設定卻始終是相對有限的，即使再高階的硬體設定也有力不從心的時候。

資料和硬體之間的矛盾，對3D引擎的大場景實時渲染能力提出了挑戰：

• 由於物件、網格、材質等內容數量太多，受限於視訊記憶體容量，傳統的全場景預先載入方式無法實現；

• 在傳統3D繪製模式下，GPU的算力不足以支撐萬級規模物件數和億級規模面片的實時渲染；

• 如果使用流式載入場景的方式，可以實現一邊渲染一邊載入資料，但需要預處理場景資料，諸如分割區分層、模型合併、材質合併、紋理烘焙等預處理往往極為耗時，幾萬個物件就需要小時級的等待，且僅支援場景中靜止不動的物件。

譬如上圖這個伺服器大樓，三角面片數達到了千萬級，並且有將近萬件的模型。為了實現實時渲染，通常需要通過HLOD的方式將整個場景進行Spatial-Coherent的層次重組。

類似於右圖紅圈所示，以不同半徑為一個空間節點，將圈圈內的模型進行合併處理，從而降低場景物件的遍歷數量，提高繪製效能。而這個預處理操作本身就需要耗費近一個小時，大大增加了偵錯和開發成本。

那麼，HMS Core 3D Engine將如何應對挑戰，構建大規模場景的實時渲染能力？

Hi-Mesh層級網格渲染加速技術

為了解決這三個「放不下」、「算不了」、「等不起」的問題，華為2012菲爾茲實驗室基於HMS Core 3D Engine自研了「Hi-Mesh」層級網格渲染加速技術，針對場景中的資產進行多維度、多層級的結構優化，確保場景結構在生成、遍歷、處理過程中的高效。譬如針對一個大規模場景，可將其數位內容進行多維分割區：

  1. 按空間結構分割區

3D場景中利用物件原生隱含的空間屬性，進行快速位置編碼和索引，大幅降低傳統樹形結構的線性遍歷耗時；

  1. 按視角空間分層

利用視角的侷限性，對場景中的物件進行不同細節層次的區分或合併處理，從而降低場景的資料量；

  1. 按內容特徵分組

利用場景物件的特徵，如按網格、材質的同源性進行分組，從而使用特定優化的繪製指令來強化它們的繪製效率；

  1. 按拓撲連線分片

將模型網格進行更精細粒度的分片，實現高效率的剔除和遮擋操作，優化實時渲染的效能。

Hi-Mesh架構圖

基於將場景化整為散的原則，以高效率的空間/視角結構來實現多層級的資料優化，並以GPU驅動的方式，最終實現百萬級物件、億級片面的數位世界的實時渲染。

一千個物件實時動態更新

為了實現上述的操作，3D Engine使用了一種隱式編碼樹的空間層次結構——「Hi-Mesh Tree」。不同於傳統基於連結串列形式的空間結點樹的方式，3D Engine通過一種常數級效能的構造和遍歷方法，相較現有的商業引擎，大規模場景的實時渲染效能可提升15%~120%。此外，還可以大幅提升三維空間場景組織結構的生成效率，甚至達到毫秒級，大大降低了工作流的時間成本。

資料來源： 華為內部實驗室測試結果

同時，3D Engine還使用了基於GPU驅動的Cluster Rendering (GDCR)繪製技術。

GPU驅動在業界已有一些探索和應用，其理想目標是用一個Draw Call（DC）來繪製整個場景，以充分發揮GPU的並行流水線能力，實現渲染效能的提高。下圖是Ubisoft 在Siggraph 15上提出的GPU驅動管線的架構圖，其核心思想就是將原本基於CPU的可視性檢測處理遷徙到GPU上，利用GPU的並行和可程式化能力，提供高並行、不同粒度的可視性檢測能力，從而大幅提高渲染效能。

3D Engine為了更充分的實現GPU驅動的效率，對GPU驅動的管線節點、資料傳輸、圖形資產進行深度優化和耦合，將場景下的所有3D物件在GPU上進行各個維度（包圍盒、範例、片區、三角面）的可視性剔除，配合多層的重組（材質、頂點），從而實現以最少量的繪製指令來實現場景的光柵化和著色，同等規模場景下相比傳統模式的渲染效能實現了翻倍。

同等規模場景下渲染效能對比

可以預見，未來的數位世界無論是元宇宙、數位孿生、還是開放大世界，趨於龐大的豐富多彩場景都將會是不可或缺的組成部分。在Hi-Mesh技術的加持下，3D Engine得以通過高效的空間層級結構和GPU友好的繪製管線，大幅提高大規模數位場景下的實時渲染能力，使場景中的3D內容「盡情放」、「更快看」、「少等待」，幫助開發者大大提升生產力。

關於HMS Core 3D Engine

3D Engine是HMS Core面向行業夥伴推出的重要圖形能力，不僅提供高效能、高畫質、高擴充套件性的實時3D引擎，配合低程式碼的視覺化開發，能夠幫助開發者便捷高效地創造出高品質的3D內容和體驗。如需進一步瞭解更多資訊，請存取： developer.huawei.com/consumer/cn/hms/3d-engine/?ha_source=hms1

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