团结引擎高性能实时渲染 Demo ——《Tower Valley》技术解析

《Tower Valley》是一个融合多种前沿技术的 Demo，旨在展现团结引擎的实时渲染能力：结合虚拟几何体、虚拟阴影贴图、实时动态全局光照、VG 植被方案等技术，呈现电影级的视觉效果与流畅的高性能体验。

欢迎体验《Tower Valley》

为获得最佳游戏体验，请在 Windows 平台使用 Tuanjie Editor 1.8.0 或更高版本。推荐配备 RTX 4070 或更高性能的显卡，且显存不低于 10 G，体验步骤：

1. 通过 Git 仓库获取 Demo 工程：

git checkout main

Load Demo Scenes， 待场景加载完毕即可体"},"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 团队发布的实时渲染 Demo《Time Ghost: Environment 》，在《Tower Valley》中，我们构建了更具挑战的场景，设计了更复杂的地形地貌，加载了数量更庞大的植被，更引入了大量的高清扫描模型资产，使得同屏需要处理的三角形数量峰值超过5 亿；除此之外，我们还采用了实时光照和阴影技术，以此来充分验证引擎的渲染能力。

关键技术方案

在《Tower Valley》中，我们使用了一系列技术来应对复杂场景的挑战：

• 使用虚拟几何体技术解决海量物体以及大量高模的渲染

• 使用实时动态全局光照轻松解决室内场景的照明

• 使用虚拟阴影贴图渲染高质量阴影

• 使用VG植被方案处理海量草体的渲染

《Tower Valley》场景元素丰富且数量庞大，我们在场景上摆放着：

• 大量物体：共计 2 亿三角面，包括地形地貌、石头、树木。

• 高模物体：共计 1 亿三角面，包括瞭望塔 (6 千万三角面）、房子、装饰物。

这种复杂的场景对渲染提出了很高的要求，虚拟几何体（VG）的出现，轻松地化解了这个难题。VG 是一个在运行时解决海量多边形的图形渲染技术， 它适用于场景中有着大量的物体，以及高精度模型的物体，它解决的是屏幕像素和场景中多边形数目不匹配的问题。虚拟几何体有诸多优势：

• 基于 GPU 驱动的渲染管线，具备精细的 GPU 剔除能力

• 场景支持海量的多边形

• • 几何体数据可以流式加载

  • 内存和显存不再受限于模型的面数

  • 有自适应 LOD 算法并有自然的过渡

• 优化工作流

• • 无需手工制作和配置 LOD

  • 无需从高模烘焙法线贴图

在我们的场景模型中，除草体以外，有共计约 3.7 亿的三角面，其中有 3 亿适用 VG，我们分别对比关闭和开启VG的性能指标，可见 VG 对于性能的提升非常显著。

打开 Window > Analysis > Rendering Debugger，选择 GDRP 标签页，在对应属性中选择 Buffer Visualization 为 TriangleID，可在场景中可视化查看VG的渲染状态（如上图）。

更多关于VG的用法，请参考：极限轻量化！团结引擎 Virtual Geometry 入坑指南 - 技术专栏 - Unity 官方开发者社区

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

随着虚拟几何体（VG）的推出，常规的阴影渲染技术，如级联阴影贴图（CSM），已经不能满足高面数模型对于阴影质量的要求，而虚拟阴影贴图则能够通过其超高的分辨率（16k x 16k）很好地对这一类模型和场景进行适配。VSM 是 GPU 驱动的渲染管线技术，适用于高面数模型和大型场景，它具有诸多优势。

VSM 优势一：质量更高

下图对比了 Tuanjie Editor 中级联阴影贴图（CSM）和虚拟阴影贴图（VSM）的效果差异。得益于分辨率的提升，VSM 能够取得更好的阴影质量。

测试条件：对于级联阴影贴图，我们将 Resolution 选项设置为 High，并将 Angular Diameter Scale for Softness 设置为 0 来渲染硬阴影。在 Volume 中，级联阴影贴图的 Max Distance 被设置为 400。

VSM 优势二：大型场景性能更好

我们构建了一个 3200m * 1000m，包含大约 40 万个 Game Object 的大型场景，对比实验结果如下：

我们对比了 VSM 和 CSM 的硬阴影的性能差异，不难发现：

• VSM 的性能显著优于其他几种方案，耗时约为表现第二的 CSM+VG（400m）方案的一半。

• 在采用 CSM 的方案中，我们也能看到开启 VG 后能够极大提升 CSM 的性能表现。

测试场景中，大小为 7m * 9m 的面积里，包含了 120 个面片数量约为 300 万面的高精度模型，对比实验结果如下：

我们发现：在渲染小场景中的高精度模型阴影时，虽然 VSM 的 CPU 耗时略微高于 CSM（我们还将持续优化这部分开销），但是 GPU 耗时大大降低了。

综上，VSM 在性能和质量的表现上，都有明显优势，因此，我们推荐大家在使用 VG 的项目中，同时开启 VSM 和 VG 以取得最好的效果。

VSM 用法请参考： 团结引擎 - 手册: 如何使用虚拟阴影贴图

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

在 Tower Valley 场景中，对室内场景车库的渲染，我们启用了团结引擎的实时动态全局光照系统（TuanjieGI)。它是团结引擎 1.7.0 版本推出的全局光照和反射系统，能够实时渲染出逼真的光照效果，而无需预烘焙光照贴图。它具有以下特性：

• 实时响应场景的动态变化，如光源的移动、游戏对象的添加或删除，材质的修改等。

• 综合考虑直接和间接光照，模拟光线在整个场景中的传播行为。

• 使用屏幕空间光线追踪、距离场等软件光线追踪技术，无需特定显卡支持。

• 基于 Volume Profile 的配置选项，允许精细调整全局、局部光照效果

• 与虚拟几何体技术无缝集成，无需复杂设置

TuanjieGI 用法请参考：

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

我们希望通过多种技术的组合使用，兼顾优秀的渲染性能和良好的光照效果。因此我们构建了一个由超多高清扫描资产组成的场景，并测试多种技术组合的性能参数。

在这个测试场景里，同屏处理三角形数量峰值超过 1.2 亿。测试条件：RTX 5060Ti，显存 8 GB，Play Mode 输出分辨率设置为 1920*1080。测试数据如下：

不难发现，在适用的场景里，TuanjieGI / VG / VSM 的协同使用，能取得较好的预期效果。

获取上述Demo，请访问：

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

《Tower Valley》场景的复杂和渲染压力，同样体现在海量草体的渲染。在场景中有超过 3000 万棵草，使用传统的植被渲染方案将给 CPU 带来极大的计算压力，我们结合使用了 VG 和 Tile Impostor 技术来缓解压力。VG 除了作用于复杂模型这一传统优势，其 GPU Driven 的特性使得在进行大量植被的渲染时，也能取得相应的性能提升。VG 植被方案将原本在 CPU 上进行的部分工作，例如场景 Instance 管理与 Culling 流程，转移到了 GPU 上进行，使得整个流程变得更为 GPU Driven，从而缓解 CPU 压力，并获得良好的性能表现，其关键技术点体现在：

• 使用 VG 渲染近处草，Tile Impostor 渲染远处草，从而取得最优的性能收益。

• 近处的植被使用 VG 渲染，与传统 Renderer 开启 VG 略有不同的是，我们通过调用 API 一次性将大量草体 Instance 数据和它们对应的 Prefab 数据传输至 VG Manager，从而保证效率最大化。

• 视野远处存在的大量植被会导致渲染时严重的 Over draw，为了解决这一问题，我们使用 Tile Impostor 渲染远景草，将 100m * 100m 的草地划为一个 Tile，并烘焙为 Prefab，减轻运行时渲染开销。

• 对于 VG 草体，不在内存中创建传统 Renderer 所需的数据结构，从而减轻内存压力和 CPU 计算量。同时，将草体对应的 VG Instance 与一般 Renderer 对应的 VG Instance 做区分，删减草体对应的 VG Instance 所需的数据量，极致轻量化，减轻显存压力。

• 优化 VG 数据上传 GPU 效率，保证 CPU 和 GPU 之间每帧发生海量数据交互时，仍能维持一个稳定的帧率。

• 针对 VG 草体和顶点动画，优化 VSM Cache 的更新机制，只更新设定范围内的 VSM Cache，从而节省计算量，提升性能。

当前，VG 植被方案在不断地开发完善中，包括顶点动画的性能优化、TAA 支持以及内置的 Impostor 方案等，预计未来将会取得更优的性能和更好的效果。

Known issues

• 虚拟几何体的顶点动画对 TAA 抗锯齿支持尚不完善，在工程设置中已开启 RTX 显卡的 DLSS 超分功能以优化画质，但在非 RTX 显卡上草体的摇曳摆动会有明显的拖影。

• 在显存不足 10G 的 PC 上，使用 Game Mode 时可能会遭遇显存耗尽并使用共享显存，从而导致 Editor 异常卡顿的情况。

• 启用 TuanjieGI Reflection 后，镜头运动过程中，反射区域可能出现轻微跳变。

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