什么叫做場景優(yōu)化？
每一位游戲玩家蟹倾，無論是傳統(tǒng)的 PC 和主機游戲匣缘，還是時新的手游以至 VR 游戲，都會對這樣一個名詞有著特殊的理解和關(guān)注鲜棠，那就是 FPS（幀速率肌厨，F(xiàn)rames Per Second）。FPS 太低的話豁陆，畫面就一卡一卡的柑爸，玩起來不舒服；如果是戴上 VR 頭盔的話盒音，因為暈動癥的影響表鳍，玩家甚至會迅速感到頭暈和惡心，一天都無法心情舒暢里逆。
FPS 顧名思義就是每秒鐘渲染的幀數(shù)进胯，也就是說，顯卡和顯示器每秒鐘都會更新數(shù)十張不同的圖像（幀）原押，進而形成一種動畫的效果胁镐。
從傳統(tǒng)動畫的角度上來說，每秒 10 幀以上的畫面就可以形成連續(xù)的動畫效果（例如中國古代的走馬燈），而不需要任何交互的電影放映盯漂，則采用每秒 25 幀或者接近 30 幀的播放速度颇玷，讓觀看者自在地欣賞大片。
但是加入了交互元素之后就缆，例如可以快速轉(zhuǎn)動視角的鼠標帖渠，手柄，以及 VR 頭盔竭宰，人們對于幀速率的需求就直線上升了——如果是面對平面液晶顯示屏的話空郊，受限于 IPS 屏幕本身的刷新率特性，內(nèi)容本身通常需要達到 60FPS 的渲染速度切揭；而戴上 VR 頭盔之后狞甚，采用 OLED 屏幕的內(nèi)容則可以達到 75FPS 的更新，事實上廓旬，出于盡量避免暈眩的考慮哼审，游戲內(nèi)容的畫面刷新也必須達到這個數(shù)值。
然而這談何容易：交互游戲并不是預(yù)先拍攝好的電影和動畫片孕豹。它需要根據(jù)玩家的操作來觸發(fā)不同的邏輯涩盾，并渲染出不同的畫面內(nèi)容。而游戲場景可能是復(fù)雜的励背，細碎的春霍，并且有很高的真實感和特效方面的要求——而這一切都必須在短短的1/75秒內(nèi)完成！就算顯示硬件的水準逐年提升椅野，這依然是一個極具挑戰(zhàn)性的話題：如何優(yōu)化我們的場景和渲染策略终畅，在如此有限的時間要求內(nèi)，實現(xiàn)高效與細節(jié)并存的游戲內(nèi)容呢竟闪？
本文將針對這一話題做適當?shù)挠懻摾敫＃欢掝}本身的技術(shù)含量已是深不見底，所以文章也只能淺嘗輒止炼蛤，只期望為讀者和同行們小啟一扇門扉妖爷。
渲染批次，扼住命運的咽喉
在描述一些晦澀難懂的名詞之前理朋，我們不妨先來看一個例子：
假設(shè)我們有一個果園絮识，每天它都要派出一輛卡車，走固定的路線運送水果到市里去嗽上。如果運送的水果總量為 10 噸次舌，而這輛卡車一次能夠承載 200 千克水果的話，那么顯而易見它需要跑上 50 趟才能完成這一任務(wù)兽愤，也許這會花費整整一天的時間才能夠完成彼念。
顯而易見挪圾，我們并不希望這項工作花掉那么多的寶貴時間，那么一種直截了當?shù)慕鉀Q方案是：給這輛卡車換上更為給力的發(fā)動機逐沙，比如 NVIDIA 的戰(zhàn)術(shù)核顯卡哲思，讓它跑全程的速度減半再減半，同樣 50 趟的任務(wù)吩案，這回只要一個上午就可以搞定了棚赔。
當然生活也許并不總是那么如意的，也許果園的工作人員早就心懷怨氣徘郭，每次給卡車只裝了 50 千克水果靠益，于是可憐的司機就需要走上足足 200 個來回，直到別人吃上早飯了還垂死地奔波在路上……
幸好崎岂，拯救他的方法也不止一種捆毫，比如，裝上戰(zhàn)術(shù)核顯卡之后冲甘，他至少能夠和別人一樣每天拉完 50 趟再按時回家吃飯了。
但是一個智商正常的果園老板應(yīng)該不會把這當成是最合理的決策吧……難道不應(yīng)該先開除那個裝貨的途样？讓爺?shù)男】ㄜ噭e這么傻兮兮地跑上 200 個批次嗎江醇？
結(jié)束我們的遐想，而現(xiàn)實卻也許傻得有些可愛：當作為內(nèi)容開發(fā)者的我們同樣遇到了“卡車花在路上的時間太長”這種問題的時候何暇，第一選擇往往是換用更逆天的顯卡和系統(tǒng)陶夜，而不是好好琢磨一下該死的工作人員藏哪兒了。
沒錯裆站，送了 200 趟水果的卡車条辟，就好比跑了 200 個渲染批次（Draw Call）的顯卡，而每個批次的執(zhí)行都是會消耗固定時間的宏胯。而為了縮短這一時間羽嫡，進而提升幀速率的開發(fā)者們，與其直接買入更新的顯示設(shè)備肩袍，倒不如先坐下來仔細想一想杭棵，渲染批次過多的瓶頸是什么（那個作孽的裝貨工？）氛赐，我又能把它優(yōu)化到什么地步（至少恢復(fù)到 50 個批次的正常水準魂爪？）。而這成百上千噸的水果就好比是復(fù)雜和精致的VR場景內(nèi)容艰管，同一時間內(nèi)能夠送達的越多滓侍，它能夠表達的內(nèi)容真實感與細節(jié)程度也就越詳實。
渲染批次（Draw Call）在以往并不是一個被十分重視的概念牲芋，制作游戲場景的美術(shù)人員更愿意用“三角面數(shù)”（Triangle Face）來描述內(nèi)容的復(fù)雜程度或者制作水準撩笆，譬如：這是一個足有 1000 萬面的卡通少女（她的每一根毛發(fā)也許都清晰可辨）尔破，又或者這是一個只有 100 萬面的故宮實景模型（然而我的高超技巧讓這一藝術(shù)瑰寶依然栩栩如生）。
殊不知浇衬，對于實時渲染而言懒构，三角面數(shù)并不足以決定渲染的效率以及幀速率結(jié)果。僅用了一個批次就完成渲染的 1000 萬面模型耘擂，和用了 1 萬個批次才渲染完成的 100 萬面模型胆剧，其執(zhí)行效率恐怕是天壤之別。后者在實際執(zhí)行當中的表現(xiàn)醉冤，恐怕一定會讓那些自信于低面數(shù)模型的人們大跌眼鏡秩霍。
然而這就引起了另一個有趣的論題：為什么會有大量的 Draw Call 呢？既然每一位開發(fā)者都能明白這樣的道理蚁阳，為什么不一開始就設(shè)計成一次 Draw Call 執(zhí)行全部場景物體的渲染操作呢铃绒？就算是因為承載力的問題不得不分成多個 Draw Call，這種簡單粗暴的設(shè)計依然應(yīng)當是最優(yōu)的解法無疑吧螺捐？
然而這樣的愿望往往無力成為現(xiàn)實颠悬，因為現(xiàn)代圖形渲染底層接口對于 Draw Call 的實際執(zhí)行，是在繪制實際幾何體圖元（Draw Primitive）的階段定血；而每次繪制圖元的操作之前赔癌，我們只能為這組圖元（可能是 200 個三角面，也可能是 10 萬個三角面）設(shè)置一張紋理圖像（Texture）澜沟，以及一組著色器（Shader）——而這兩者正是虛擬現(xiàn)實和游戲應(yīng)用當中用于表達物體材質(zhì)和真實感的最核心組件灾票。一張圖像能夠容納和清晰地表達一個精致美女的肌膚茫虽，秀發(fā)，慧眼正什，紅唇埠忘，絲衣莹妒，高跟鞋旨怠，LV包蜈块，以及其他種種細致入微的內(nèi)容嗎？當然不能蜓席。所以我們也沒有辦法在一個渲染批次里搞定美女模型的一切厨内。
而與此相關(guān)的另一個問題也會困擾著更深層次的圖形開發(fā)者：場景內(nèi)容的管理雏胃。例如一座數(shù)字化的虛擬城市志鞍，每一棟樓，每一個房間统翩，每一輛車玻孟，每一位居民黍翎，都應(yīng)當是獨立存在的個體艳丛，對這些模型資源的管理也顯然應(yīng)當按照相似的分類方法氮双。然而從渲染的角度來說戴差，這樣產(chǎn)生的 Draw Call 恐怕遠遠不是最優(yōu)的選擇袭厂，甚至輕而易舉就會讓前文中送水果的卡車司機崩潰掉纹磺。
如果按照材質(zhì)把模型重新分組和整合橄杨，倒是可以進一步提升渲染的效率，不過資源的管理工作卻無疑會讓人崩潰乡摹。試想一下采转，在公安局的戶口本上聪廉，你不再屬于某個家庭氏义，而你身體的各部分則分別隸屬于短發(fā)組，麻臉組惯悠，格子衫組邻邮，灰褲子組……這種“按材質(zhì)分組”的行為看起來多少有點“漢尼拔”似的驚悚氣氛了克婶。
然而筒严，場景優(yōu)化面臨的麻煩還遠沒有盡頭。
有關(guān)填充率的那些傳說
試想一位畫家情萤，揮毫潑墨，將現(xiàn)實中的山水人物躍然紙上，描繪得栩栩如生睁宰。這些山水人物原本是自然存在的孝赫，繪制到紙上红符，就成了油彩，湊近去看，就會有濃重的顆粒感——雖然大多數(shù)情況下這并不妨礙我們觀瞻就是了雌桑。
現(xiàn)代計算機的圖形渲染過程與此類同喇喉。把復(fù)雜的場景模型躍然于屏幕之上，這一過程稱作光柵化（Rasterization）校坑，而屏幕上的像素點拣技，近看起來同樣存在顆粒感千诬，低分辨率的屏幕則更為明顯。這種顆粒感對于VR類的內(nèi)容來說更為顯著（因為 VR 眼鏡相當于放大了屏幕分辨率對畫面質(zhì)量的影響）膏斤，而它也是破壞場景真實感和效果的主因之一徐绑。
那好辦啊，有人可能會說莫辨，那就拼命增加屏幕分辨率不就好了傲茄。從現(xiàn)在的 1080p，到 2K沮榜，到 4K盘榨，到 8K……總會有徹底解決這個問題的一天吧？
然而事情并沒有這么簡單蟆融，還是回過頭來談?wù)勎覀兊漠嫾遥涸谝粡?A4 紙上畫簡筆畫草巡，也許他只需要 1-2 分鐘而已；如果是 10 米長卷型酥，那么也許要一天的時間山憨；如果是在萬里長城上……那么畫家可能直接就跳下去了，搞這么一輩子的工程弥喉，生不如死啊郁竟。
沒錯，這里的畫卷可以類比為我們所說的屏幕分辨率由境，而畫家求死的原因棚亩，只因為要畫的東西太多，而他對畫卷內(nèi)容的填充率（Fill Rate）太低了虏杰，因而渲染效率也變得慘不忍睹蔑舞。
這個問題的解決方案，無非三種嘹屯，弊端也是一目了然：
1、改用小點的畫卷（降低屏幕分辨率和用戶體驗）从撼；
2州弟、換個瘋狂的畫家（升級硬件，提升填充率）低零；
3婆翔、少畫點花里胡哨的東西（降低渲染內(nèi)容的質(zhì)量）。
聽起來都不是什么一勞永逸的選擇掏婶，并且大多數(shù)開發(fā)者一定會選用最直接的那個方案啃奴，沒錯，換更瘋狂的畫家雄妥，搞硬件的軍備競賽最蕾。
不過從場景優(yōu)化的角度來說依溯，方案三反而成了最靠譜的一條道路，并且這給各路算法豪俠和數(shù)學家們也提出了一個有趣的命題：如何在渲染質(zhì)量還看得過去的前提下瘟则，盡量少畫點“對用戶沒用”的內(nèi)容呢黎炉？
對這句話的詳細解釋就是：用戶看不到的場景不要畫出來，把它提前裁減掉（Culling）醋拧；而用戶可能本來也看不清的場景慷嗜，就用更低的細節(jié)程度（Level of Details）把它畫出來。
這里必須要解釋一句丹壕。顯卡并不是多么聰明的一種硬件產(chǎn)品庆械，它并不能主動分辨出當前提交的渲染指令中，包含的信息是否真的能夠被顯示到屏幕之上菌赖；而是選擇了另一種更為簡單的策略：不管有多少東西都先畫上去缭乘，如果不幸沒畫到紙上的話……反正你也不在乎對不對？畢竟最終用戶關(guān)注的只有紙面上的內(nèi)容而已盏袄。
然而古今中外忿峻，那些為了優(yōu)化場景而苦思冥想的開發(fā)者們，卻僅為了這一個目標前赴后繼辕羽，傷痕累累逛尚。
當然，這里所說到的“填充率”一詞刁愿，只是相關(guān)圖形系統(tǒng)運行機制的冰山一角绰寞。它還可能被進一步細分為像素填充率（光柵化操作和屏幕緩存繪制的速率）和紋理填充率（紋理在模型表面映射和采樣操作的速率）。而實際執(zhí)行過程中铣口，還可能受到顯存帶寬（顯卡在單位時間能夠傳輸數(shù)據(jù)的總量）參數(shù)的影響滤钱，而這些信息往往都會標識在具體顯卡品牌的性能說明文檔中，作為發(fā)燒友比較和購買的依據(jù)（雖然它們實際上并無統(tǒng)一標準可言）脑题。
不過這并非本文所要繼續(xù)深入闡述的命題了件缸，我們關(guān)心的，還是那些圖形學和 VR 領(lǐng)域的先行者們叔遂，為了哪怕一點點的優(yōu)化效果做出過的努力他炊。
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