基于體素地形的優(yōu)化研究

吳剛

摘要：在充分認識體素的基本概念和基于體素地形表達的特點上，結(jié)合UE4分析了體素地形對于三維地形的構(gòu)建帶來的影響及體素地形構(gòu)建過程中的優(yōu)化分析。通過對體素建模過程中出現(xiàn)的一些問題，提出相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：體素;虛擬地形;Unreal Engine;三維建模

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.10.079

三維地形可視化是對現(xiàn)實世界中的自然地理環(huán)境的表達和模擬，以期望用計算機的方式來表達和模擬現(xiàn)實世界，即現(xiàn)在常說的虛擬現(xiàn)實。構(gòu)建和表達地形的方式多種多樣，可以通過使用一些工具來完成建模，如Unity Engine、UE4、Cry Engine等。三維地形的實現(xiàn)方式各有不同，從其模型構(gòu)建的本質(zhì)上可分為兩類：基于多邊形的面模型和基于體素的體模型。大多數(shù)的三維地形采用的是基于多邊形的面模型來建模，如三角形網(wǎng)格模型。對于一些簡單的地形環(huán)境，使用面模型來建模往往可以達到比較好的可視化效果，并且基于面模型的三維可視化技術(shù)比較成熟，有許多的優(yōu)化手段和解決方案，如LOD層次細節(jié)模型。面模型可視化方法在表現(xiàn)洞穴，拱橋和垂壁等復(fù)雜地形的時候，有很大的缺陷，如效率低、表現(xiàn)不好，并且難以實現(xiàn)地形體數(shù)據(jù)的表達和實時編輯，尤其在地理空間變化的模擬上（如侵蝕現(xiàn)象），表現(xiàn)效果不佳。

基于體素的體模型在地形可視化方向的應(yīng)用晚于面模型，基于其在復(fù)雜地理空間中的較好表現(xiàn)效果，和其在游戲場景中有著重要的作用，現(xiàn)在越來越多的引起人們的關(guān)注。三維游戲世界場景廣泛使用三角形網(wǎng)格模型（3D triangle mesh）構(gòu)建，包括地形、建筑、植被以及其他靜態(tài)物件。一些以自然環(huán)境為主的游戲，如大部分RPG、MOBA類型游戲，會使用到高度場（height field）去表示地形;一些室內(nèi)游戲，如FPS、TPS、ACT等，會使用構(gòu)造實體幾何（construct solid geometry，CSG）技術(shù)去構(gòu)建基本的室內(nèi)環(huán)境（也可以稱為BSP/binary space partitioning 筆刷）。以上這些制作方式各有優(yōu)缺點，面模型是合乎當(dāng)代硬件的游戲世界表示方式，也是較自由的建模方式，并有成熟的數(shù)字創(chuàng)作工具如3ds Max和Maya。面模型建模的缺點有建模成本高、只有表面表示方式，無法判斷是否在其內(nèi)部，并且不容易修改，不容易做連續(xù)或離散級數(shù)的細致程度（level of detail，LOD）等。這時隨著開放世界類型游戲的出現(xiàn)，體素（voxel）開始越來越被人們所熟知。

1體素的概念和特點

Wikipedia給出Voxel的定義為“Voxel（體素，更準確地說是測定體積的像素）是一個體積像素，用來表示三維空間中規(guī)則格網(wǎng)的值。類似于二維空間中用來表示二維圖像數(shù)據(jù)的像素。”每個體素使用一個比特來進行存儲，表示該空間是實心還是空心，這種二元體素（Binary Voxel）雖然是最簡單的體素形式，但它還可以存儲其他屬性。例如在《我的世界》中的體素會存儲空間中的材質(zhì)（泥土、石頭、水等）。體素地形庫（DatabaseBlock）是體素管理的基本單位，所有的體素是在體素地形庫中生成。構(gòu)建地形需要的體素數(shù)據(jù)為地形的繪制、地形的AO、地形的碰撞、地表的植被、地形的修改。

2地形系統(tǒng)的構(gòu)建及改進

2.1根據(jù)需求構(gòu)建地形系統(tǒng)

首先定義可視范圍，對可視范圍內(nèi)的地形進行渲染，以體素地形庫（DatabaseBlock）為單位，管理地形。然后每幀查詢可視范圍內(nèi)的DatabaseBlock，如果發(fā)現(xiàn)DatabaseBlock對應(yīng)的Mesh不存在（即沒有被渲染），則從體素地形庫中獲取DatabaseBlock中對應(yīng)的體素數(shù)據(jù)，根據(jù)體素數(shù)據(jù)構(gòu)建渲染模型（RenderMesh）進行渲染，再構(gòu)建碰撞模型（CollisionMesh），用于進行碰撞檢測，同時根據(jù)體素可以生成植被等渲染信息。當(dāng)?shù)匦螏熘械捏w素數(shù)據(jù)發(fā)生修改的時候，需要體素地形庫通知地形系統(tǒng)，重新獲取體素數(shù)據(jù)，進行模型的構(gòu)建和渲染。

2.2當(dāng)前體素地形存在的問題

系統(tǒng)運行時會出現(xiàn)運行時卡頓，地形范圍不能太大，地形的AO不能影響地形上其他的模型（Mesh）等。

2.3出現(xiàn)的問題類型

（1）DrawCall數(shù)量太多。

由于針對每個RenderBlock進行Mesh的提取，每個類型的體素都對應(yīng)一個或者多個不同類型的材質(zhì)（最多為6個），復(fù)雜的體素類型導(dǎo)致了超多的材質(zhì)，從而使得DrawCall數(shù)量暴增。

可簡化為公式：

每個體素需要六種材質(zhì) * 體素的類型數(shù)（200）= 總共需求的材質(zhì)種類（1200）

（2）三角形數(shù)量過多。

由于體素地形的特殊性，提取mesh是按照簡單立方體表面提取算法來提取的，將導(dǎo)致有大量冗余的三角形產(chǎn)生，可以刪除冗余的三角形，簡化渲染模型。如對于大面積的水域，使用兩個三角形就可以繪制。

（3）視錐剔除效率低下。

選取DatabaseBlock為大小作為渲染Mesh的單位，單位過大。渲染采用的是外包盒的方式渲染，由于整體的包圍盒比較大，進行視錐剔除的效率偏低。本來可以不用提交渲染的Mesh，也不能被剔除。

（4）沒有進行遮擋剔除。

對地形系統(tǒng)中，一個很重要的優(yōu)化手段就是遮擋剔除，即被遮擋的Mesh，不應(yīng)該被提交渲染。

（5）地形上物體不會受到AO的影響。

由于計算完地形的AO值后，直接通過地形的頂點信息傳入Shader中，計算光照信息的時候只是對地形產(chǎn)生影響，不會對地形上其它的物體產(chǎn)生影響。比如NPC從洞外進入山洞里不會變暗。

（6）植被的管理以及渲染效率低下。

由于存在大量的樹木，直接對樹木進行渲染，將會導(dǎo)致渲染效率低下，應(yīng)該使用實例化的方式進行渲染，并且要考慮遮擋剔除等。

（7）其它一些問題。

碰撞檢測效率不高，物理碰撞的Mesh沒有優(yōu)化，導(dǎo)致物理引擎中碰撞效率不高。頂點數(shù)據(jù)格式過大，導(dǎo)致帶寬需求變大，同時CacheMiss的概率也響應(yīng)增大。對Block線性遍歷，遍歷Block的復(fù)雜度為O（n），可以使用加速結(jié)構(gòu)提高Block的遍歷效率。

2.4針對上述問題提出的優(yōu)化方案如下

（1）減少材質(zhì)的數(shù)量，使用TextureArray，保證盡可能少的Material。

（2）使用冗余三角形的刪除算法，減少三角形的個數(shù)。

（3）使用緊湊的頂點坐標格式，減少帶寬的依賴以及CacheMiss的概率。

（4）視錐剔除時，使得測試目標變小，提高視錐剔除的效率。

（5）使用遮擋剔除，減少提交渲染物體的數(shù)量。

（6）使用3DTexture存儲AO值，渲染其它物體的時候，AO值參與計算。

（7）使用實例化的方式渲染樹木等靜態(tài)物體，使用二叉樹進行管理，并使用遮擋測試進行優(yōu)化。

（8）使用Octree管理地形，提高渲染節(jié)點的遍歷效率，并使用合并Mesh的方法進行優(yōu)化。

（9）使用地形的LOD提高渲染的效率。

3結(jié)語

通過上述提出的優(yōu)化方案，可以有效的解決系統(tǒng)運行卡頓，地形范圍過小以及AO影響等問題。三維模型的構(gòu)建使用傳統(tǒng)的基于多邊形的方式，在地形復(fù)雜性和靈活性的表達上，具有很大的限制;基于體素的地形制作方式，帶來了各種創(chuàng)新的方式，提高三維世界場景品質(zhì)的同時，節(jié)省了成本。現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成功，很大一部分來源于三維虛擬世界的高度逼真，讓人沉浸其中。而基于體素建模的應(yīng)用可以很好的滿足高品質(zhì)場景的要求。隨著體素建模技術(shù)的發(fā)展與成熟，留給我們的既是機遇也是挑戰(zhàn)。

參考文獻

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[3]蔣秉川，萬剛，范承嘯，夏青.戰(zhàn)場環(huán)境體素模型適應(yīng)性分析及體要素分類方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2017，29（02）：241-247.

[4]Wikipedia[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Voxel，2012.