3D场景优化

一) 有效的性能评测
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　对于任何一个3D应用程序来说，追求场景画面真实感是一个无止尽的目标，其结果就是让我们的场景越来越复杂，模型更加精细，这必然给图形硬件带来极大的负荷以致于无法达到实时绘制帧率。因此，渲染优化是必不可少的。在渲染优化之前，我们需要对应用程序性能进行系统的评测，找出瓶颈,对症下药。对于3D应用程序来说，影响性能的十分多，同时不同的硬件配置条件下，瓶径也会有所不同。因此，对应用程序进行有效的性能评测，不仅需要对整个渲染管线原理有深入地了解，此外借助一些评测工具能让我们的工作事倍功半。
　　我们知道渲染流水线的速度是由最慢的阶段决定首先，因此对一个3D应用程序进行评测，首先要分析影响渲染性能的瓶颈是在CPU端还是GPU端，由此来绝对我们优化的对象。由于目前的图形加速硬件都具有强大的，这个瓶径往往出现在CPU端，我们可以通过一些工具获得这个信息，如Nvidia的NVPerfHUD。在评测选项中，我们可以查看CPU和GPU繁忙度这项，当CPU繁忙度是100%时，GPU还不是时，我们知道性能的瓶颈在CPU端，我们必须CPU端的操作，同时尽量的“喂饱”GPU，把一些费事的计算移值到GPU上，例如硬件骨骼蒙皮。当GPU端是瓶颈时，说明GPU超荷负载，有可能是因为有过多的渲染填充，也就是多边形数量太多（当前强大的GPU使得这种情况并不多见。
CPU上的瓶颈产生有两个方面，一是因为复杂AI计算或低效的代码，二是由于不好的渲染批处理或资源管理。对于第一种情况，我们可以利用VTurn这类的工具，把应用程序中所有函数调用时间从大到小的排列出来，我们就很容易知道问题所在。对第二种情况来说，同样利用NVPerfHUD，我们可以查看每帧的DP数目，看看批的数量是否过多（有一个具体的换算公式），查看纹理内存的数目，是否消耗了过多的显存。利用这些工具，我们基本上能够定位应用程序的瓶颈。在应用程序内部，编写一个内嵌的profiler功能，能更加便利的进行评测，此外利用Lua这样的脚本程序，让我们运行时调试，也能提高评测的效率。

(二) 静态场景优化

静态场景包括了地形、植被、建筑物等一般不改变位置的实体集合，对它的优化是场景优化中最重主要的内容。本文就静态场景优化的常见问题进行了探讨。

1 批的优化
批是场景优化中的最重要的概念之一，它指的是一次渲染调用（DP），批的尺寸是这次渲染调用所能渲染的多边形数量。每个批的调用都会消耗一定的CPU时间，对于显卡来说，一个批里的多边形数量远达不到最大绘制数量。因此尽可能将更多的多边形放在一个批里渲染，以此来减少批的数目，最终降低CPU时间，是批的优化基本原则。然而事情往往不尽如人意，有些情况下原有的批会被打破，造成额外的开销，如纹理的改变或不同的矩阵状态。针对这些问题，我们可以采用一些方法来尽量避免它，已达到批尺寸的最大化。
（1）合并多个小纹理为一张大纹理
在某个场景中，地面上有十多种不同的植被，它们除了纹理不同外，渲染状态都是一样。我们就可以把它们的纹理打包成一个大纹理，再为每个植被模型指定UV，这样我们就可以用一个渲染调用来渲染所有的物体，批的数量就从十多个降为一个。这种方法比较适合对纹理精度要求不高，面数不会太多的物体。
（2）利用顶点shader 来统一不同矩阵的情况
即使场景中的所有物体材质都一样，如果它们的矩阵状态不同（特别是场景图管理的引擎），也会打碎原有的批。利用顶点shader技术可以避免这种情况，因为可以把要乘的变换矩阵通过常量寄存器传到shader程序中，这样统一了物体的矩阵状态，可以放在一个批里渲染。

2 渲染状态管理
渲染状态是用来控制渲染器的渲染行为，在D3D中是setRenderState,通过改变渲染状态，我们可以设置纹理状态、深度写入等等。改变渲染状态对显卡来说，是个比较耗时的工作，因为显卡执行API必须严格按照渲染路径，当渲染状态变化时，显卡就必须执行浮点运算来改变渲染路径，因此给CPU和GPU带来时间消耗（CPU必须等待），渲染状态变化越大，所要进行的浮点运算越多。因此将渲染状态进行有效的管理，尽可能 减少其变化，对渲染性能影响巨大。（新六代的显卡Geforce8系列中将一些常见的状态参数集存储在显卡核心中，当渲染状态状态发生变化，可以直接读取保存的参数集，以消除不必要的开销）。绝大部分的3D引擎都会按照渲染状态对PASS进行分组渲染。

3 LOD
LOD这个已经被人讨论烂掉的技术我就不多废话了，简单谈谈一些实际应用。地形的LOD我就不多说了，方法太多了，不过感觉目前情况下最实用的还是连锁分片的方法。对于模型LOD，自动减面的算法，如VDPM（渐近网格子）并不少见，但是效果都很一般。常规的做法还是让美工做低模进行替换，对于复杂场景来[来源：GameRes.com]说，模型LOD的效果还是比较明显的。材质LOD就需要一些技巧，例如可以将雾后的物体，包括地形等统一成一种材质，采用雾的颜色，这样就统一了渲染状态，至于是否要打包成一个DP就要看具体情况了（这个统一的材质最好把光照影响关掉，这也是比较费时的）。至于角色模型的LOD和普通模型LOD相类似，低模减少了顶点数，自然减少了蒙皮计算量。个人认为骨骼LOD不是特别的必要，看具体的情况。

4 场景管理的优化
场景管理的优化包括场景分割，可见性剔除等，有很多的参考文章，这里就不多说了，谈些个人的心得。现在的室外场景一般采用quadtree或octree，当我们在性能评测时发现遍历树的过程比较慢时，有可能有两个原因。一是树的深度设置的不合理，我们可以很容易寻找到一个最佳的深度。另一个原因可能是我们为太多数量 众多，但体积很小的物体分配了结点，造成结点数量的冗余。解决方法是把这些小物体划分到他们所在的大的结点中。
可见性剔除是最常见优化方法，我们常用的是视锥裁减，这也是非常有效的。视锥裁减也是许多优化方法，这里就不详说了。遮挡裁减也是经常被用到的方法，常见的有地平线裁减。但是在有些情况下，遮挡裁减的效果并不明显，如当CPU使用率已经是100%时,CPU端是瓶颈，这时进行遮挡裁减计算消耗CPU时间，效果就不明显。但是有些情况下利用一些预生成信息的方法，降低遮挡裁减计算的复杂度,提高遮挡裁减计算的效率,对场景性能会一定的改善。