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在先前举办的华为开发者大会 2022(HDC)上, 华为通过 3D 数字溪村展现了自有 3D 引擎“HMS Core 3D Engine”(以下简称 3D Engine)的弱小能力。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体现, 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无力的技术支持。
大规模数字世界的需要与挑战
明天, 如何更好地实现大场景下的实时渲染, 曾经成为行业的热门话题, 相干技术在泛滥畛域都有着广大的利用前景。咱们能够显著感触到, 从 3D 游戏到虚拟现实, 从三维 GIS 到数字城市, 波及场景的规模都在呈指数级增长, 局部游戏中的世界地图甚至没有边界。能够说,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。
场景规模的扩充带来的后果就是海量的内容和数据。一个城市波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绝对无限的, 即便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:
1、因为物件、网格、材质等内容数量太多, 受限于显存容量, 传统的全场景事后加载形式无奈实现;
2、在传统 3D 绘制模式下,GPU 的算力不足以撑持万级规模物件数和亿级规模面片的实时渲染;
3、如果应用流式加载场景的形式, 能够实现一边渲染一边加载数据, 但须要预处理场景数据, 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, 几万个物件就须要小时级的期待, 且仅反对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, 通常须要通过 HLOD 的形式将整个场景进行 Spatial-Coherent 的档次重组。
相似于右图红圈所示, 以不同半径为一个空间节点, 将圈圈内的模型进行合并解决, 从而升高场景物件的遍历数量, 进步绘制性能。而这个预处理操作自身就须要消耗近一个小时, 大大增加了调试和开发成本。
那么,HMS Core 3D Engine 将如何应答挑战, 构建大规模场景的实时渲染能力?
Hi-Mesh 层级网格渲染减速技术
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”层级网格渲染减速技术, 针对场景中的资产进行多维度、多层级的构造优化, 确保场景构造在生成、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, 进行疾速地位编码和索引, 大幅升高传统树形构造的线性遍历耗时;
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档次的辨别或合并解决, 从而升高场景的数据量;
3. 按内容特色分组
利用场景物件的特色, 如按网格、材质的同源性进行分组, 从而应用特定优化的绘制指令来强化它们的绘制效率;
4. 按拓扑连贯分片
将模型网格进行更精密粒度的分片, 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
Hi-Mesh 架构图
基于将场景化整为散的准则, 以高效率的空间 / 视角构造来实现多层级的数据优化, 并以 GPU 驱动的形式, 最终实现百万级物件、亿级全面的数字世界的实时渲染。
一千个物件实时动静更新
为了实现上述的操作,3D Engine 应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模式的空间结点树的形式,3D Engine 通过一种常量级性能的结构和遍历办法, 相较现有的商业引擎, 大规模场景的实时渲染性能可晋升 15%~120%。此外, 还能够大幅晋升三维空间场景组织构造的生成效率, 甚至达到毫秒级, 大大降低了工作流的工夫老本。
数据起源: 华为外部实验室测试后果
同时,3D Engine 还应用了 基于 GPU 驱动的 Cluster Rendering (GDCR)绘制技术。
GPU 驱动在业界已有一些摸索和利用, 其现实指标是用一个 Draw Call(DC)来绘制整个场景, 以充分发挥 GPU 的并行流水线能力, 实现渲染性能的进步。下图是 Ubisoft 在 Siggraph 15 上提出的 GPU 驱动管线的架构图, 其核心思想就是将本来基于 CPU 的可视性检测解决迁徙到 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 为了更充沛的实现 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 (突围盒、实例、片区、三角面) 的可视性剔除, 配合多层的重组(材质、顶点), 从而实现以最大量的绘制指令来实现场景的光栅化和着色, 等同规模场景下相比传统模式的渲染性能实现了翻倍。
等同规模场景下渲染性能比照
能够预感, 将来的数字世界无论是元宇宙、数字孪生、还是凋谢大世界, 趋于宏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构造和 GPU 敌对的绘制管线, 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“纵情放”、“更快看”、“少期待”, 帮忙开发者大大晋升生产力。
对于 HMS Core 3D Engine
3D Engine 是 HMS Core 面向行业搭档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, 可能帮忙开发者便捷高效地发明出高品质的 3D 内容和体验。如需进一步理解更多信息, 请拜访: developer.huawei.com/consumer/cn/hms/3d-engine/?ha_source=hmswm