虚拟景观漫游中的优化技术应用解析

张 丹

（福州职业技术学院信息技术工程系，福建 福州 350108）

1 虚拟景观漫游概述

虚拟漫游，是虚拟现实技术的重要应用，通常应用在在建筑、教学、旅游、医学等诸多领域。虚拟现实漫游具有其独特的沉浸感、交互性、仿真操作等，是其他固定路线漫游或没有加护的其他漫游技术无法比拟的[1]。随着生产力和计算机科学技术的不断发展，各行各业对 VR 技术的需求量日益加剧，VR 技术在各行各业都取得了巨大进步，并逐步成为一个全新的科学技术领域。虚拟景观漫游，作为虚拟漫游的一个重要方面，将虚拟三维场景构建与虚拟漫游交互进行完美结合。被广泛应用在地产景观、小区景观、旅游景观的领域，给用户在身临其境欣赏景观的同时，还可以交互仿真进行一系列操作。

虚拟景观漫游，一直以来需要克服的重点问题在于，怎样平衡虚拟环境仿真度与渲染场景实时绘制之间的矛盾。在虚拟景观漫游中，用户看到的景象看起来距离较近，那么久需要场景的绘制尤其逼真。于是需要精细的三维模型来满足表现需要。同时，漫游运行却受到计算机硬件性能的约束，当三维模型建造的越复杂越精细，在渲染场景进行绘制时，要满足用户实时体验的良好效果，就越困难。VR 环境下的复杂场景建模要求具有真实感的模型[2]，而且虚拟场景还必须实时生成，即要求三维场景刷新速度需要和用户视点变化的速度一致。那么通常会考虑，在三维场景模型的精确度和渲染场景的绘制速度之间取一个折中值，既能够满足必要的虚拟真实性，又不会产生绘制困难。于是，就需要各种优化技术，来配合场景虚拟交互漫游的需要，在尽可能地减少绘制计算量的同时，又不降低用户对虚拟仿真的体验感。

2 Unity 优化技术原理

对于虚拟仿真项目来说，与运行性能相关的，主要有两种计算资源，CPU 和GPU，在运行过程中它们相互合作，来控制项目的运行帧率与渲染分辨率，CPU 负责运行帧率，GPU 则负责渲染分辨率等。

Unity 软件的渲染统计窗口（Rendering Statistics Window ），显示了很多重要的渲染数据，例如FPS 帧频、批处理数目、顶点和三角网格的数目等。

表1 中列出了渲染统计窗口中显示的各个信息。

表1 Unity 渲染统计信息

对于CPU 来说，限制它的主要是Draw Call，当项目开始运行，准备对渲染画面进行绘制时，就需要调用Draw Call。通常的小区漫游或者是景观漫游，场景中通常分布着适当的水面和很多的树木丛林，在对水面进行渲染时，会使用材质和着色器，但在渲染树模时，需要适合树木的另外的材质和着色器，这时的CPU 需要重新准备绘制的顶点数据和需要重新设置材质，这个工作过程其实比较耗时。也就是说，构建一个场景，如果场景中的每个对象和物体都有各自不同的材质纹理等，就会产生非常多的Draw Call，从而影响运行的帧率，同时用户体验的交互性也会下降。

GPU 本身负责场景的整个渲染进程，它的处理开始部分是从CPU 传过来的三维模型数据，然后进行着色等工作，最后给屏幕上输出每个像素。于是知道了影响GPU 性能的因素有处理顶点的数目、屏幕的分辨率、显存等。

所以，优化技术的考虑有顶点优化，常用的有LOD 技术、遮挡剔除技术等；像素优化，常用的有控制透明物体、减少实时光照等；CPU 优化，减少Draw Calls，常用的有场景静态对象使用静态批处理；带宽优化，常用的有减少纹理大小等。

三维模型的LOD 技术和遮挡剔除技术可以同时减少CPU 和GPU 的负荷。CPU 可以提交更少的draw call，而GPU需要处理的顶点和片元数目也减少了。

3 优化技术应用解析

之后将三维场景导入Unity 进行虚拟漫游和仿真交互控制。常用的优化技术主要有以下几个方面。

3.1 优化几何体

虚拟景观漫游制作的流程中，第一步是创建场景三维模型，在进行三维建模的时候，需要注意在满足造型的基础上，减少模型中的三角面。为了尽可能减少模型中的顶点数目，建模人员往往需要优化模型的网格结构。常见的三维建模工具，通常会有一些相应的优化方案，来进行网格结构的自动优化。随着整体优化，场景中的每一个面片分配都仅为表达造型的有效面片[3]。

在Unity 的渲染统计窗口中，笔者可以查看到渲染当前需要的三角面片数目和顶点数目。在GPU 看来，有时需要把一个顶点拆分成两个或更多，这样是因为分离纹理坐标（uv splits）和产生平滑的边界（smoothing splits）。例如，创建一个长方体，长方体的6 个面有一些共用的定点，而在不同的面上，同一个顶点所对应的贴图纹理坐标也许并不相同。这时，GPU 会将这个顶点拆分成一些纹理坐标不同的顶点。GPU 本身只关心绘制顶点的数量。因此，笔者需要考虑的是怎样尽量去减少绘制顶点的数目。另外一条几何体优化建议是，移除不必要的硬边以及纹理衔接，避免边界平滑和纹理分离。

3.2 LOD 技术

LOD（Level of detail）细节层次优化技术与Mipmap 技术有些相似，后者是纹理金字塔，而LOD 是面向三维模型的模型金字塔，根据距离摄像机的距离远近，选择需要使用怎样精度的模型。LOD 技术的优势在于，可以在满足需要的情况下，尽可能地减少需要绘制的顶点数。那么它的缺点则是，由于资源导入的数量，需要占用较多的内存，因此在不同精度模式所处的距离问题上，需要调整好，否则可能会导致外观模拟的突变。在Unity 中，给需要使用LOD 技术的对象添加LOD Group 组件。

层次细节（Levels of Detail）是根据物体在场景中所占视图的百分比来调节不同复杂度模型的。当摄像机距离某物体较远的时候，采用低模，当摄像机距离较近的时候，采用高模。可以提高游戏渲染效率，但会占用更多的内存。

景观漫游场景中的树木就非常适合应用LOD，给树木对象添加LOD Group 组件。将高精度，中等精度，低精度的模型，拖拽到组件的各个级别上。选择需要控制的模型以及距离设置LOD 0 对应高精度模型，LOD 1 对应中等精度，LOD 2 对应低精度。

给树木添加LOD 组件之后，可以看到在景观场景漫游中，距离树木由近到远时，树木的外观编号以及网格简化过程如图1 所示。

图1 树木应用LOD 远近效果变化

3.3 遮挡剔除技术

遮挡剔除（Occlusion culling）在场景渲染中可以用来消除某些物体后面的看不到的物体，这样计算机资源就不会消耗在摄像机看不到的物体顶点上，从而提升整体的运行性能。遮挡剔除会使用一个虚拟的摄像机来遍历场景，从而构建一个潜在可见的对象集合的层级结构。在运行时刻，每个摄像机将会使用这个数据来识别哪些物体是可见的，而哪些被其他物体挡住不可见。使用遮挡剔除技术，不仅可以减少处理的顶点数目，还可以减少重复绘制，提高游戏性能。

打开渲染窗口的遮挡剔除（Occlusion Culling），选中需要遮挡剔除的物体，进行相应设置，然后进行烘焙，将Edit改为Visualize。这样当物体不在摄像机的可视范围内，不会对其进行渲染。

图2 是小区景观使用遮挡剔除后的俯视图，可以看到前后展示对比。

图2 景观场景应用遮挡剔除

同时，应用遮挡剔除前后，观察渲染统计窗口，会发现性能参数的前后对比变化明显，例如可以看到CPU 的处理时间由原来的25.7ms 变成了15.1ms，优化前的帧频是38.8f/s，而优化后帧频是66.3f/s，以及一些其他参数的优化变化。

3.4 其他优化技术

场景对象看起来使用了非常复杂高级的光照计算，但实际上是优化后的结果。首先将场景中运行不会发生移动的建筑物或障碍物设置成static，取消自动烘焙，调整好灯光效果，可以参照实时灯光的效果，将灯光模式设置成烘焙，在灯光设置面板中启用烘焙，烘焙完成会得到场景的光照烘焙图，满足静态物体光照。再将光照探针分布在场景中，满足动态物体光照。实时阴影同样是一个非常消耗性能的效果。不仅是CPU 需要提交更多的draw call， GPU也需要进行更多的处理。因此，应该尽量减少实时阴影，例如使用烘焙把静态物体的阴影信息存储到光照纹理中，而只对场景中的动态物体使用适当的实时阴影。

对于运行加载优化，用的最多的莫过于LOD 以及MipMap 多级渐远纹理技术，MipMap 又被称为“纹理贴图金字塔”。它的原理是提前用滤波处理来得到很多更小的图像，形成一个图像金字塔，每一层都是对上一层降采样的结果。这样在实际运行时，就能快速得到结果像素。当物体原理摄像机时，可以直接使用较小的纹理，纹理质量稍差，模糊感较强。物体靠近时适当替换较大纹理，纹理质量好，模糊感较少。以便给玩家呈现更精致的画面。那么当物体远离时，无须高精度纹理展示时，则替换低精度纹理，降低了显存带宽，减少了渲染。但是，为了适配多场景，比如远近多个不同的场景，提前生成几张精度不同的纹理，使用一定的空间用于存储这些多级渐远纹理，通常会多占用1/3 的内存空间，是利用空间换取时间的办法。

有些时候显示的分辨率也会对性能产生影响，尤其是在Android 系统使用时，当分辨率过高，而硬件性能却很低，也就是说硬件性能与分辨率要求不匹配时，就产生了运行效果较差的情况，所以硬件性能与渲染画面质量之间应该如何平衡是需要研究的问题。这是可以考虑使用Android 系统的硬件缩放技术，来提升运行效率，直接在Unity 中设置显示的分辨率，通过调用Screen.SetResolution（）函数，函数的参数需要与开发时UI 分辨率进行等比例计算，可能面临调大或调小的情况。设置运行分辨率后，程序原有的代码逻辑不会受到影响，而运行效率确实提高了，并且能观察到帧频的显著提高。使用这种方法如果遇到偶尔屏幕显示异常如横竖屏错乱的问题，可以考虑到Java 层去修改UnityPlayerNativeActivity.java，调用getResources（）.getDisplayMetrics（）来修复问题并得到正确的显示效果。

3.5 表现效果优化

给场景对象添加后处理组件post process volume，勾选其中的is global 作用全局，之后在相机中同样方式添加一个post process Layer 组件，回到后处理上，点击new 来新建一个配置，点击add effect 可以添加各种处理效果。

给场景中的树丛应用后处理的部分效果，抗锯齿Antialiasing、太阳射线光SunShafts、镜头暗色晕圈VignetteAndChromaticAberration、柔光Bloom、色彩校正曲线ColorCorrectionCurves。

可以看到场景应用后处理以上效果后的，前后渲染效果对比如图3 所示。在实际应用中，可以根据需要，选择合适的后处理效果应用，以达到不同的环境渲染效果。

图3 应用后处理技术前后效果对比

4 结论

虚拟景观漫游是虚拟漫游的一个重要方面，比如在房地产的应用领域中，通过地产景观虚拟漫游，用户可以身临其境的观赏到优美的小区环境。

在虚拟景观漫游项目创建过程中，从三维几何体优化到LOD 优化等技术的使用，以及使用后处理效果，对提高虚拟漫游整体运行性能以及用户体验效果，有非常重要的意义。