如何优化大场景实时渲染？HMS Core 3D Engine这么做

Posted 2023-01-19 HMS Core

在先前举办的华为开发者大会2022（HDC）上，华为通过3D数字溪村展示了自有3D引擎“HMS Core 3D Engine”（以下简称3D Engine）的强大能力。作为一款高性能、高画质、高扩展性的3D引擎，3D Engine不仅能通过实时光追、水体渲染、体积云雾、多维GPU粒子系统等技术还原真实世界的物理表现，对于大规模数字世界的实时渲染，3D Engine同样也能为开发者提供有力的技术支持。

大规模数字世界的需求与挑战

今天，如何更好地实现大场景下的实时渲染，已经成为行业的热门话题，相关技术在众多领域都有着广阔的应用前景。我们可以明显感受到，从3D游戏到虚拟现实，从三维GIS到数字城市，涉及场景的规模都在呈指数级增长，部分游戏中的世界地图甚至没有边界。可以说，大规模场景的实时交互渲染能力正在成为构筑数字世界的基础设施。

然而，这并非易事。

场景规模的扩大带来的结果就是海量的内容和数据。一个城市涉及的物件数差不多是百万级，面片数更是可能达到亿级，而硬件配置却始终是相对有限的，即使再高级的硬件配置也有力不从心的时候。

数据和硬件之间的矛盾，对3D引擎的大场景实时渲染能力提出了挑战：

• 由于物件、网格、材质等内容数量太多，受限于显存容量，传统的全场景预先加载方式无法实现；

• 在传统3D绘制模式下，GPU的算力不足以支撑万级规模物件数和亿级规模面片的实时渲染；

• 如果使用流式加载场景的方式，可以实现一边渲染一边加载数据，但需要预处理场景数据，诸如分区分层、模型合并、材质合并、纹理烘焙等预处理往往极为耗时，几万个物件就需要小时级的等待，且仅支持场景中静止不动的物件。

譬如上图这个服务器大楼，三角面片数达到了千万级，并且有将近万件的模型。为了实现实时渲染，通常需要通过HLOD的方式将整个场景进行Spatial-Coherent的层次重组。

类似于右图红圈所示，以不同半径为一个空间节点，将圈圈内的模型进行合并处理，从而降低场景物件的遍历数量，提高绘制性能。而这个预处理操作本身就需要耗费近一个小时，大大增加了调试和开发成本。

那么，HMS Core 3D Engine将如何应对挑战，构建大规模场景的实时渲染能力？

Hi-Mesh层级网格渲染加速技术

为了解决这三个“放不下”、“算不了”、“等不起”的问题，华为2012菲尔兹实验室基于HMS Core 3D Engine自研了“Hi-Mesh”层级网格渲染加速技术，针对场景中的资产进行多维度、多层级的结构优化，确保场景结构在生成、遍历、处理过程中的高效。譬如针对一个大规模场景，可将其数字内容进行多维分区：

1. 按空间结构分区

3D场景中利用物件原生隐含的空间属性，进行快速位置编码和索引，大幅降低传统树形结构的线性遍历耗时；

2. 按视角空间分层

利用视角的局限性，对场景中的物件进行不同细节层次的区分或合并处理，从而降低场景的数据量；

3. 按内容特征分组

利用场景物件的特征，如按网格、材质的同源性进行分组，从而使用特定优化的绘制指令来强化它们的绘制效率；

4. 按拓扑连接分片

将模型网格进行更精细粒度的分片，实现高效率的剔除和遮挡操作，优化实时渲染的性能。

Hi-Mesh架构图

基于将场景化整为散的原则，以高效率的空间/视角结构来实现多层级的数据优化，并以GPU驱动的方式，最终实现百万级物件、亿级片面的数字世界的实时渲染。

一千个物件实时动态更新

为了实现上述的操作，3D Engine使用了一种隐式编码树的空间层次结构——“Hi-Mesh Tree”。不同于传统基于链表形式的空间结点树的方式，3D Engine通过一种常量级性能的构造和遍历方法，相较现有的商业引擎，大规模场景的实时渲染性能可提升15%~120%。此外，还可以大幅提升三维空间场景组织结构的生成效率，甚至达到毫秒级，大大降低了工作流的时间成本。

数据来源： 华为内部实验室测试结果

同时，3D Engine还使用了基于GPU驱动的Cluster Rendering (GDCR)绘制技术。

GPU驱动在业界已有一些探索和应用，其理想目标是用一个Draw Call（DC）来绘制整个场景，以充分发挥GPU的并行流水线能力，实现渲染性能的提高。下图是Ubisoft 在Siggraph 15上提出的GPU驱动管线的架构图，其核心思想就是将原本基于CPU的可视性检测处理迁徙到GPU上，利用GPU的并行和可编程能力，提供高并发、不同粒度的可视性检测能力，从而大幅提高渲染性能。

3D Engine为了更充分的实现GPU驱动的效率，对GPU驱动的管线节点、数据传输、图形资产进行深度优化和耦合，将场景下的所有3D物件在GPU上进行各个维度（包围盒、实例、片区、三角面）的可视性剔除，配合多层的重组（材质、顶点），从而实现以最少量的绘制指令来实现场景的光栅化和着色，同等规模场景下相比传统模式的渲染性能实现了翻倍。

同等规模场景下渲染性能对比

可以预见，未来的数字世界无论是元宇宙、数字孪生、还是开放大世界，趋于庞大的丰富多彩场景都将会是不可或缺的组成部分。在Hi-Mesh技术的加持下，3D Engine得以通过高效的空间层级结构和GPU友好的绘制管线，大幅提高大规模数字场景下的实时渲染能力，使场景中的3D内容“尽情放”、“更快看”、“少等待”，帮助开发者大大提升生产力。

关于HMS Core 3D Engine

3D Engine是HMS Core面向行业伙伴推出的重要图形能力，不仅提供高性能、高画质、高扩展性的实时3D引擎，配合低代码的可视化开发，能够帮助开发者便捷高效地创造出高品质的3D内容和体验。如需进一步了解更多信息，请访问： developer.huawei.com/consumer/cn/hms/3d-engine/?ha_source=hms1

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