大地形的一种简化RVT

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一、开发需求

这是工程开发的细节，不是理论篇，不了解RVT理论概念的，请先搜索。

RVT的理论普及度比较高，FARCRY5和Unreal Engine里都有大量的分享，这种方案工作量和难度主要是在工程细节上。也就是一个资深技术完整按方案写完落地功能大概要1个月。所以我很想造一个既有差不多性能收益，又简单很多的实现方案，差不多开发3天可落地项目。

为什么要对地形做RVT？因为地形的采样除了抖动混合，其他都需要非常多次的采样Albedo和Normal然后混合。这已经成为多数项目在GPU方面的最大开销，所以有必要缓存他。其次，地形的Mesh结构单一性、材质统一性、贴图共用性都导致仅对地形实现RVT是比较方便的。

以下是我参与的项目4年多来地形渲染的技术迭代过程，本来计划仅1次采样的抖动混合作为终极方案，实际上产品和美术对于噪点难以接受。这样就反而简单了，必须开发RVT的想法就在我脑中种下了。

《生死狙击2》地形渲染技术进化过程

真实项目落地补充
普通视角：提升2ms，70fps->82fps。截图为最大收益处空气背包与跳伞时：

1050 中画质 线上游戏地形（优化前）

1050 中画质 线上游戏地形（优化后）

二、性能对比

采用i5-9600KF+AMD、RX590、Unity 5.6测试，总共16层地表。

静帧对比
Unity自带地形：231 FPS
本方案地形：546 FPS

移动时对比
看视频里帧数

先放效果图看下收益幅度，或许才有耐心能看完细节。后面与GPUDriven地形结合，性能会更好，因为这已经是地形地块CPU瓶颈了。

三、主要思路

原文的思路有很多种，也很复杂。首先要多渲染一份数据，然后Feedback，延迟一帧获得，然后各种VT的不同尺寸，覆盖不同PageTable的数量，对应物理贴图图集里的不同大小，这些不同大小的覆盖或对应关系有些是在1个Mipmap里做，有些是放到不同的Mipmap上实现，以及物理贴图图集里，不同尺寸可用空间的申请、回收、占用维护等。还有异步加载时处于为准备好的区域如何寻找代替的更低精度的Mipmap地址等等。看的我非常晕，所以这一刻忘记这一切概念。重新想一个最最简单直观的。先用四叉树划分地块，这一点之前做四叉树静态阴影和四叉树GPUDriven的地形都用到过。所以比较简单了。

根据相机距离如下图这样划分世界空间，并给每个空间分配一个独立的编号，叫他物理地址索引。我们只要让每一块都用一张相同大小的贴图去显示，那么自然就是比较合理的使用显存了，也等于是近处用了mipmap0，远处用了mipmap1，2，3....了，用这种思想来实现就直观且方便很多，因为所有贴图尺寸一样可以用一个Texture2DArray来存放，而编号就是这个数组的Index。当某一块的尺寸需要变化时，才重新加载变化后对应的图。

用四叉树把世界空间按xz平面投影（根据相机距离）划分方式

四、四叉树的实现

四叉树是这个方案的主要功能所以会写得比较多。四叉树虽然反复使用，但常常长的不同，这是因为有时候需要用来遍历，有时候需要用来查找，有时候是为了内容相近而压缩数据，有时候是做LOD划分。所以这里详细讲下这次四叉树的实现细节。

因为上图每个要显示的节点都是叶节点，不是枝节点。所以常见有2种方式遍历。

1. 每帧从根节点开始遍历，递归查询自己的4个子节点，做LOD是否发生变化的判断
2. 把叶节点，记录到一个队列里，每帧只对这些叶节点做LOD是否发生变化的判断

为什么要判断LOD是否发生变化呢？因为如果LOD没变，那么原来显示图不需要替换，就不需要做任何处理。如果发现远离了相机并且LOD需要更大，那么说明不需要这么高清了，他可以尝试合并，用他父节点来加载一张覆盖更大面积的图来显示（图是一样尺寸的所以覆盖更大面积等于更低精度），反之相机靠近了，LOD就需要小，他就需要细分出4个节点，每个节点都去加载对应的图，这样他就精度翻倍了。

我把这2种都实现了一遍，发现第2种的代码逻辑更直观，第1种需要做一个状态维护，所以这里讲第2种的方式。

四叉树数据结构

四叉树数据结构

static变量：

currentAllLeaves：当前帧所有叶节点

nextAllLeaves：下一帧所有叶节点

physicEmptyIndexQueue：可用的物理地址队列

onLoadData：某节点需要加载贴图资源时回调，因为这种加载一般不做在树结构内

splitCount：当前帧已经细分的次数

eventFrameSplitCountMax：每帧可细分的最大次数，与splitCount一起，避免在同一帧加载太多导致卡顿，实际是一种简单又高性能的分帧机制。分帧加载机制，我用分帧细分四叉树代替，极大简化了维护。否则异步的加载，相邻部分加载完成替换索引会出现脏数据等问题。

成员变量：

x，z，size：四叉树最最基础的数据，记录这个格子坐标和尺寸

children，parent：描述四叉树树结构关系的引用，类似Transform

isLeaf：判断是否是叶节点

parentMerged：当前帧Parent是否被合并过了，因为遍历某节点的4个子节点顺序是不可控的，避免出现一个子节点判断应该合并，但其他子节点却判断为细分出现矛盾。

physicTexIndex：当前节点的物理贴图（Texture2DArray）索引，用他来渲染自己覆盖的区域

创建根节点
一个树一般手动创建根节点，然后通过规则让他自己内部去细分或合并。也常在这里做些初始化或静态数据创建。这里主要是创建一个Node节点size获得一个物理地址，并放入叶节点。因为这个时候，根节点就是叶节点，他还没子节点。这里没设置xz，是因为不论真实场景如何，四叉树内部都是从（0，0）点开始往x+，z+方向去计算的。外部的实际情况可根据Offset调整，不在内部考虑外界的特殊性。

创建根节点函数

每帧更新所有叶节点状态
遍历所有当前叶节点，检查LOD是否发生变化，如果没变化就放入下一帧叶节点队列。如果变化，根据变大还是变小来做合并还是细分的处理，最后是常见的交换2个列表，下一帧的数据作为下一帧的“当前”数据反复遍历。不用简单赋值而用交换，是因为不想每帧New一个空队列产生GC。

每帧主循环

对于每个节点，首先判断他父节点是否需要合并，如果自己和其他3兄弟节点都没子节点且 父节点计算后LOD发现应该合并，那么才执行合并，并且设置每个子节点的parentMerged为true，如果不能合并再判断自己是维持到下一帧还是细分，细分也有很多约束，这些细节的考量是我花的主要时间。

节点LOD计算判断是维持还是合并还是细分

合并与细分
合并函数比较简单，把自己放入叶节点，把4个子对象标记合并后，回收子对象物理索引，分配自己一个地址索引然后加载这个索引对应的资源。

节点合并

节点细分

不论合并还是细分，每帧都只执行一次，这样很好地实现了分帧处理，如果要更好的效果还需要设置权重决定处理的顺序，比如近的优先，或LOD变化大的优先。还有一个小技巧就是先回收索引资源，然后再分配，这样减少一点点资源不足的情况。

每帧只对一个叶节点处理一次 实现自然的分帧效果

创建贴图内容
分配了索引之后，我们可以根据节点所在的位置和Size，去加载这块混合后的贴图。并拷贝到Texture2DArray对应的Index里。这里说的加载不是真的加载，如果是SVT那就是硬盘加载。我们做RVT，这里其实是实时创建。为了流程描述统一特意说成加载。这种实时创建有2种方式，第一种是放个相机去拍，这种简单也能对格子贴花、路面等自动支持，但是性能不好。因为渲染流程要走一遍。相机要对地形Mesh各种处理，这些都是我们不需要的。所以我这里采用性能更高的Blit方式，缺点是做路面与贴花时需要再开发功能支持。

实时生成地块内容

本来直接用地形Shader改改就行，但是他是每4张一个Pass，需要Blit好多次，关键是还要对这些结果做混合，像素拷贝太多了，所以这里改了下，用Texture2DArray存放地形地表纹理比如16张。一次性采样完。因为要输出Albedo和Normal2份数据，所以这里给了开关，如果要一次获得可尝试MRT，但我这里不想再展开。利用Builtin自带地形Shader的Firstpass，一次性采样完所有图层。

根据地块位置不同、尺寸不同，做偏移和缩放

制作节点对应贴图的Shader

索引贴图
四叉树节点上对应的贴图创建好了，但是渲染的时候，一个ShadingPoint怎么知道自己要采样第几张图的呢？根据自己的世界坐标或地形UV来查询四叉树？这肯定是不好的复杂又过度采样。所以都是给他制作一张索引图，和他UV一一对应，他根据地形UV就能访问到对应的纹素，比如Frag函数里一个ShadingPoint，他在地形上UV是（0.5，0.5），那么他去索引图的（0.5，0.5）采样就可以获得节点数据，包含了索引、尺寸和起始的xz4个值。然后就可以计算出在Texture2DArray里的UV坐标和Index。

但是这个索引如果是均匀的，其单位是多少呢？比如这里我们四叉树最小一格Size是1（世界坐标先当1米用）。那么这个索引图就是1个纹素对应1米。四叉树节点加载好贴图放入Texture2DArray后 ，就要填充索引图对应纹素的内容，好让采样的Shader能查询正确。如果这个节点Size是1当然就填1x1纹素，如果是4x4的Size就覆盖了4x4米，当然索引图需要填充4x4纹素同样的值。这样看起来有点傻，第1，浪费空间；第2，写入数据也变多；第3，采样时候采样了不是同一位置的同一个值结果正确但缓存命中变差。所以有同事建议根据FARCRY5那套把2x2的写到Mipmap1的一个像素，把4x4写到Mipmap2的一个像素。看上去很美好实际上不行，因为我这方案省略了Feedback这一整个过程，所以CPU根据距离计算出的Mipmaps与渲染时Fragment里计算的会不一致，这样导致他去索引贴图某Mipmap取值时，内容是错误的，因为写入的是另一个Mipmap，而只有获取到正确内容后 才知道CPU计算这处的LOD是多少，也才知道他写入了哪个Mipmap。这里使用ComputeShader填充索引贴图内容。就一句代码：

Result[id.xy+ uint2(offsetX, offsetZ)] = value;

制作数据放入数组并填充索引贴图内容

斜面噪点

噪点对比

按这样实现出来，会发现斜面有噪点，这是必然的。因为我们是根据距离指定的LOD，也就相当于贴图的Mipmap。而实际渲染是根据ddx和ddy来计算Mipmap的。也就是说法线与视角方向接近垂直的面，他们即便离的近，也不能用mipmap0的，因为2个屏幕像素在贴图空间跨了好几个纹素。所以需要给他准备多份Mipmap数据，但是最清晰的那个就是我们现在给的，所以严格来说，如果我们要传给他mipmap4，但他最后一级到mipmap8，我们需要把4、5、6、7、8都传给他。但实际上不会这么极端。所以我经过实践发现给4个足够用了。所以我们这样修改代码和Shader，我们需要在Shader内手动计算Mipmap并与CPU计算的Mipmap（也就是节点的Size大小做差值，因为用一个同尺寸贴图渲染一个更大Size范围，等于已经做了Mipmap变化）这个算法我自己想的。

传4个Mipmap用于不同角度的不同需求

修正Mipmap问题的Shader采样

修正Mipmap计算后不会特别锐化

这样看起来效果就好多了，但是ddx和ddy一定要用均匀的地形UV来做，如果用数组内UV会有接缝，这是因为相邻节点衔接处textureArray内UV一个是0一个是1，ddx/ddy就会误认为是不连续的变化。

MRT升级
为了做贴花和道理渲染准备，已经升级到MRT渲染方式，从0.2（2次0.1）ms优化到0.14ms。其中ComputeShader开销较大是测试问题，反复加载最远处图来测试，实际上远处图变化频率很低。

原来2次DrawQuad

MRT1次DrawQuad

Git库地址：
GitHub - jackie2009/unityRVTTerrain: a runtime virtural texture terrain for unity 5.6

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