團結引擎高性能實時渲染 Demo ——《Tower Valley》技術解析

《Tower Valley》是一個融合多種前沿技術的 Demo，旨在展現團結引擎的實時渲染能力：結合虛擬幾何體、虛擬陰影貼圖、實時動態全局光照、VG 植被方案等技術，呈現電影級的視覺效果與流暢的高性能體驗。

歡迎體驗《Tower Valley》

為獲得最佳游戲體驗，請在 Windows 平臺使用 Tuanjie Editor 1.8.0 或更高版本。推薦配備 RTX 4070 或更高性能的顯卡，且顯存不低于 10 G，體驗步驟：

1. 通過 Git 倉庫獲取 Demo 工程：

git checkout main

Load Demo Scenes， 待場景加載完畢即可體"},"attribs":{"0":"*0+1e"}},"apool":{"numToAttrib":{"0":["author","7475251529973383169"]},"nextNum":1}},"type":"text","referenceRecordMap":{},"extra":{"channel":"saas","isEqualBlockSelection":false,"pasteRandomId":"eb4e1c64-1feb-4a9d-a265-3ee2228695d8","mention_page_title":{},"external_mention_url":{}},"isKeepQuoteContainer":false,"isFromCode":false,"selection":[{"id":11,"type":"text","selection":{"start":0,"end":50},"recordId":"SgG3dvB69ogeSKxHVchcndvLnL7"}],"payloadMap":{},"isCut":false}" data-lark-record-format="docx/text">

Demo 特性

相比于 Unity6 團隊發布的實時渲染 Demo《Time Ghost: Environment 》，在《Tower Valley》中，我們構建了更具挑戰的場景，設計了更復雜的地形地貌，加載了數量更龐大的植被，更引入了大量的高清掃描模型資產，使得同屏需要處理的三角形數量峰值超過5 億；除此之外，我們還采用了實時光照和陰影技術，以此來充分驗證引擎的渲染能力。

關鍵技術方案

在《Tower Valley》中，我們使用了一系列技術來應對復雜場景的挑戰：

• 使用虛擬幾何體技術解決海量物體以及大量高模的渲染

• 使用實時動態全局光照輕松解決室內場景的照明

• 使用虛擬陰影貼圖渲染高質量陰影

• 使用VG植被方案處理海量草體的渲染

《Tower Valley》場景元素豐富且數量龐大，我們在場景上擺放著：

• 大量物體：共計 2 億三角面，包括地形地貌、石頭、樹木。

• 高模物體：共計 1 億三角面，包括瞭望塔 (6 千萬三角面）、房子、裝飾物。

這種復雜的場景對渲染提出了很高的要求，虛擬幾何體（VG）的出現，輕松地化解了這個難題。VG 是一個在運行時解決海量多邊形的圖形渲染技術， 它適用于場景中有著大量的物體，以及高精度模型的物體，它解決的是屏幕像素和場景中多邊形數目不匹配的問題。虛擬幾何體有諸多優勢：

• 基于 GPU 驅動的渲染管線，具備精細的 GPU 剔除能力

• 場景支持海量的多邊形

• • 幾何體數據可以流式加載

  • 內存和顯存不再受限于模型的面數

  • 有自適應 LOD 算法并有自然的過渡

• 優化工作流

• • 無需手工制作和配置 LOD

  • 無需從高模烘焙法線貼圖

在我們的場景模型中，除草體以外，有共計約 3.7 億的三角面，其中有 3 億適用 VG，我們分別對比關閉和開啟VG的性能指標，可見 VG 對于性能的提升非常顯著。

打開 Window > Analysis > Rendering Debugger，選擇 GDRP 標簽頁，在對應屬性中選擇 Buffer Visualization 為 TriangleID，可在場景中可視化查看VG的渲染狀態（如上圖）。

更多關于VG的用法，請參考：極限輕量化！團結引擎 Virtual Geometry 入坑指南 - 技術專欄 - Unity 官方開發者社區

https://developer.unity.cn/projects/66124ceeedbc2a001e3e8039

隨著虛擬幾何體（VG）的推出，常規的陰影渲染技術，如級聯陰影貼圖（CSM），已經不能滿足高面數模型對于陰影質量的要求，而虛擬陰影貼圖則能夠通過其超高的分辨率（16k x 16k）很好地對這一類模型和場景進行適配。VSM 是 GPU 驅動的渲染管線技術，適用于高面數模型和大型場景，它具有諸多優勢。

VSM 優勢一：質量更高

下圖對比了 Tuanjie Editor 中級聯陰影貼圖（CSM）和虛擬陰影貼圖（VSM）的效果差異。得益于分辨率的提升，VSM 能夠取得更好的陰影質量。

測試條件：對于級聯陰影貼圖，我們將 Resolution 選項設置為 High，并將 Angular Diameter Scale for Softness 設置為 0 來渲染硬陰影。在 Volume 中，級聯陰影貼圖的 Max Distance 被設置為 400。

VSM 優勢二：大型場景性能更好

我們構建了一個 3200m * 1000m，包含大約 40 萬個 Game Object 的大型場景，對比實驗結果如下：

我們對比了 VSM 和 CSM 的硬陰影的性能差異，不難發現：

• VSM 的性能顯著優于其他幾種方案，耗時約為表現第二的 CSM+VG（400m）方案的一半。

• 在采用 CSM 的方案中，我們也能看到開啟 VG 后能夠極大提升 CSM 的性能表現。

測試場景中，大小為 7m * 9m 的面積里，包含了 120 個面片數量約為 300 萬面的高精度模型，對比實驗結果如下：

我們發現：在渲染小場景中的高精度模型陰影時，雖然 VSM 的 CPU 耗時略微高于 CSM（我們還將持續優化這部分開銷），但是 GPU 耗時大大降低了。

綜上，VSM 在性能和質量的表現上，都有明顯優勢，因此，我們推薦大家在使用 VG 的項目中，同時開啟 VSM 和 VG 以取得最好的效果。

VSM 用法請參考： 團結引擎 - 手冊: 如何使用虛擬陰影貼圖

https://docs.unity.cn/cn/tuanjiemanual/Manual/VirtualShadowMap-HowToUse.html

在 Tower Valley 場景中，對室內場景車庫的渲染，我們啟用了團結引擎的實時動態全局光照系統（TuanjieGI)。它是團結引擎 1.7.0 版本推出的全局光照和反射系統，能夠實時渲染出逼真的光照效果，而無需預烘焙光照貼圖。它具有以下特性：

• 實時響應場景的動態變化，如光源的移動、游戲對象的添加或刪除，材質的修改等。

• 綜合考慮直接和間接光照，模擬光線在整個場景中的傳播行為。

• 使用屏幕空間光線追蹤、距離場等軟件光線追蹤技術，無需特定顯卡支持。

• 基于 Volume Profile 的配置選項，允許精細調整全局、局部光照效果

• 與虛擬幾何體技術無縫集成，無需復雜設置

TuanjieGI 用法請參考：

https://docs.unity.cn/cn/tuanjiemanual/Manual/TuanjieGI.html

我們希望通過多種技術的組合使用，兼顧優秀的渲染性能和良好的光照效果。因此我們構建了一個由超多高清掃描資產組成的場景，并測試多種技術組合的性能參數。

在這個測試場景里，同屏處理三角形數量峰值超過 1.2 億。測試條件：RTX 5060Ti，顯存 8 GB，Play Mode 輸出分辨率設置為 1920*1080。測試數據如下：

不難發現，在適用的場景里，TuanjieGI / VG / VSM 的協同使用，能取得較好的預期效果。

獲取上述Demo，請訪問：

https://cnb.cool/tuanjie/TuanjieGI_Demo_Tower/

《Tower Valley》場景的復雜和渲染壓力，同樣體現在海量草體的渲染。在場景中有超過 3000 萬棵草，使用傳統的植被渲染方案將給 CPU 帶來極大的計算壓力，我們結合使用了 VG 和 Tile Impostor 技術來緩解壓力。VG 除了作用于復雜模型這一傳統優勢，其 GPU Driven 的特性使得在進行大量植被的渲染時，也能取得相應的性能提升。VG 植被方案將原本在 CPU 上進行的部分工作，例如場景 Instance 管理與 Culling 流程，轉移到了 GPU 上進行，使得整個流程變得更為 GPU Driven，從而緩解 CPU 壓力，并獲得良好的性能表現，其關鍵技術點體現在：

• 使用 VG 渲染近處草，Tile Impostor 渲染遠處草，從而取得最優的性能收益。

• 近處的植被使用 VG 渲染，與傳統 Renderer 開啟 VG 略有不同的是，我們通過調用 API 一次性將大量草體 Instance 數據和它們對應的 Prefab 數據傳輸至 VG Manager，從而保證效率最大化。

• 視野遠處存在的大量植被會導致渲染時嚴重的 Over draw，為了解決這一問題，我們使用 Tile Impostor 渲染遠景草，將 100m * 100m 的草地劃為一個 Tile，并烘焙為 Prefab，減輕運行時渲染開銷。

• 對于 VG 草體，不在內存中創建傳統 Renderer 所需的數據結構，從而減輕內存壓力和 CPU 計算量。同時，將草體對應的 VG Instance 與一般 Renderer 對應的 VG Instance 做區分，刪減草體對應的 VG Instance 所需的數據量，極致輕量化，減輕顯存壓力。

• 優化 VG 數據上傳 GPU 效率，保證 CPU 和 GPU 之間每幀發生海量數據交互時，仍能維持一個穩定的幀率。

• 針對 VG 草體和頂點動畫，優化 VSM Cache 的更新機制，只更新設定范圍內的 VSM Cache，從而節省計算量，提升性能。

當前，VG 植被方案在不斷地開發完善中，包括頂點動畫的性能優化、TAA 支持以及內置的 Impostor 方案等，預計未來將會取得更優的性能和更好的效果。

Known issues

• 虛擬幾何體的頂點動畫對 TAA 抗鋸齒支持尚不完善，在工程設置中已開啟 RTX 顯卡的 DLSS 超分功能以優化畫質，但在非 RTX 顯卡上草體的搖曳擺動會有明顯的拖影。

• 在顯存不足 10G 的 PC 上，使用 Game Mode 時可能會遭遇顯存耗盡并使用共享顯存，從而導致 Editor 異?？D的情況。

• 啟用 TuanjieGI Reflection 后，鏡頭運動過程中，反射區域可能出現輕微跳變。

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