SceneKit 在立方体测试中的性能

在学习游戏 3D 图形编程时，我决定从使用 Scene Kit 3D API 开始简单。我的第一个游戏目标是构建一个非常简化的《我的世界》的模仿版。一个只有立方体的游戏——这有多难。

下面是我编写的一个循环，用于放置 100 x 100 立方体 (10,000) 的游乐设施，但 FPS 性能非常糟糕（~20 FPS）。我最初的游戏目标对于 Scene Kit 来说是否太大了，还是有更好的方法来实现这个目标？

我已经阅读了 StackExchange 上的其他主题，但觉得它们没有回答我的问题。将暴露的表面块转换为单个网格将不起作用，因为 SCNGeometry 是不可变的。

func createBoxArray(scene : SCNScene, lengthCount: Int, depthCount: Int) {
    let startX : CGFloat = -(CGFloat(lengthCount) * CUBE_SIZE) + (CGFloat(lengthCount) * CUBE_MARGIN) / 2.0
    let startY : CGFloat = 0.0
    let startZ : CGFloat = -(CGFloat(lengthCount) * CUBE_SIZE) + (CGFloat(lengthCount) * CUBE_MARGIN) / 2.0

    var currentZ : CGFloat = startZ

    for z in 0 ..< depthCount {
        currentZ += CUBE_SIZE + CUBE_MARGIN

        var currentX = startX
        for x in 0 ..< lengthCount {
            currentX += CUBE_SIZE + CUBE_MARGIN

            createBox(scene, x: currentX, y: startY, z: currentZ)
        }
    }
}


func createBox(scene : SCNScene, x: CGFloat, y: CGFloat, z: CGFloat) {
    var box = SCNBox(width: CUBE_SIZE, height: CUBE_SIZE, length: CUBE_SIZE, chamferRadius: 0.0)
    box.firstMaterial?.diffuse.contents = NSColor.purpleColor()

    var boxNode = SCNNode(geometry: box)
    boxNode.position = SCNVector3Make(x, y, z)
    scene.rootNode.addChildNode(boxNode)
}

2014 年 12 月 30 日更新：我修改了代码，因此 SCNBoxNode 创建一次，然后通过以下方式创建 100 x 100 数组中的每个附加框：

var newBoxNode = firstBoxNode.clone()
newBoxNode.position = SCNVector3Make(x, y, z)

此更改似乎将 FPS 提高到了约 30 fps。其他统计信息如下（来自SCNView中显示的统计信息）：

10K（我认为这是绘制调用？） 120K（我认为这是面孔） 360K（假设这是顶点数）

大部分运行循环都在渲染中（我估计 98%）。总循环时间为 26.7 毫秒（哎呀）。我在 2013 年末推出的 Mac Pro（6 核，双 D500 GPU）上运行。

鉴于《我的世界》风格的游戏的景观会根据玩家的动作不断变化，我不知道如何在场景套件的范围内对其进行优化。非常令人失望，因为我真的很喜欢这个框架。我很想听听有人对如何解决这个问题的想法 - 否则，我将被迫使用 OpenGL。

2014 年 12 月 30 日下午 2:00 更新（东部时间）：使用 flattenedClone() 时，我发现性能显着提高。即使有更多的框和两次绘图调用，FPS 现在也能保持稳定的 60 fps。然而，适应动态环境（如 MineCraft 支持）仍然存在问题 - 见下文。

由于数组会随着时间的推移而改变组成，因此我添加了一个 keyDown 处理程序，以将更大的框数组添加到现有数组中，并计时添加框数组导致更多调用与添加为 flattenedClone 之间的差异。这是我发现的：

在 keyDown 上，我添加了另一个 120 x 120 个盒子的数组（14,400 个盒子）

// This took .0070333 milliseconds
scene?.rootNode.addChildNode(boxArrayNode)
// This took .02896785 milliseconds
scene?.rootNode.addChildNode(boxArrayNode.flattenedClone())

再次调用 flattenedClone() 比添加数组慢 4 倍。

这导致两次绘图调用具有 293K 个面和 878K 个顶点。我仍在玩这个，如果我发现任何新的东西，我会更新。最重要的是，通过我的额外测试，我仍然觉得 Scene Kit 的不可变几何约束意味着我无法利用该框架。

为什么会出现丢帧现象？

2022 年 9 月 4 日

自从你问这个问题以来已经过去了将近 8 年，但没有太大变化......

1. 多边形的数量

SceneKit 或 RealityKit 场景中的多边形数量不得超过100,000 https://developer.apple.com/documentation/arkit/adding_visual_effects_in_ar_quick_look_and_realitykit?language=objc三角形多边形。能够更快地渲染所有模型的理想 SceneKit 场景应包含少于 50,000 个多边形。您的场景包含 120,000 个多边形。不要忘记 SceneKit 使用单线程渲染模型（与多线程 RealityKit 渲染器不同）。

2. 着色器

在 Xcode 14.0+ 中，SceneKit 的默认设置.lightingModelMaterial Inspector（UI 版本）中任何 3D 库的基元集是.physicallyBased材料。这是计算量最大的着色器。程序化版本.lightingModel https://stackoverflow.com/questions/56828648/how-to-add-material-to-modelentity-programatically-in-realitykit/56849454#56849454对于任何 SCN 程序几何体是.blinn着色模型。计算强度最小的着色器是.constant（它不依赖于照明）。

3. 平截头体内部有什么

如果所有 10,000 个立方体都位于 SceneKit 相机视锥体内，则帧速率将为 20-30 fps。但如果您在立方体矩阵中移动并且看到的不超过其九分之一，则帧速率将为 60 fps。因此，SceneKit 不会渲染那些超出范围的对象。视锥体的边界 https://stackoverflow.com/questions/54894108/placing-an-object-30-meters-above-a-person/54901044#54901044.

4. SCNScene中的网格数量

每个模型网格都会导致一次绘制调用。要实现 60 fps，每次绘制调用的时间应为 16 毫秒或更短。为了获得最佳性能，Apple 工程师建议限制网格中的网格数量.usdz文件到 50 左右。不幸的是，我没有找到一个值.scn官方文档中的文件。

5. 灯光和阴影

照明和阴影（尤其是阴影）是计算量非常大的任务。一般建议如下 - 避免使用.forward https://developer.apple.com/documentation/scenekit/scnshadowmode阴影和带有假阴影的高分辨率纹理。

Look at 这个帖子 https://stackoverflow.com/questions/72038078/scenekit-maximum-size-for-scn-assets-in-one-app/72053804#72053804了解详情。

用于测试的 SwiftUI 代码

Xcode 14.0+、SwiftUI 4.0+、Swift 5.7

import SwiftUI
import SceneKit

struct ContentView: View {

    var scene = SCNScene()
    var options: SceneView.Options = [.allowsCameraControl]

    var body: some View {
        ZStack {
            ForEach(-50...49, id: \.self) { x in
                ForEach(-50...49, id: \.self) { z in
                    let _ = DispatchQueue.global().async {
                        scene.rootNode.addChildNode(createCube(x, 0, z))
                    }
                }
            }
            SceneView(scene: scene, options: options)
                .ignoresSafeArea()
            let _ = scene.background.contents = UIColor.black
        }
    }
    
    func createCube(_ posX: Int, _ posY: Int, _ posZ: Int) -> SCNNode {
        let geo = SCNBox(width: 0.5, height: 0.5, length: 0.5, 
                                           chamferRadius: 0.0)
        geo.firstMaterial?.lightingModel = .constant
        let boxNode = SCNNode(geometry: geo)
        boxNode.position = SCNVector3(posX, posY, posZ)
        return boxNode
    }
}

在这里，所有立方体都在视锥体内，因此有明显的丢帧原因。

在这里，只有场景的一部分位于视锥体内，因此不存在丢帧。