| 本文您将了解到： 1，VR渲染面临什么问题？ 2，如何做好VR的渲染？ 3，怎样提升VR渲染的性能？ 渲染对于VR内容的开发来说，是非常重要的议题。 但在现在的VR内容开发中，却还没有成熟的解决方案，特别是针对Unity开发者。 近期，VR价值论在VRCORE公开课上找到一份VR渲染指南。 包括渲染方面的基础知识，以及在Unity里面如何去优化渲染的效率。 废话不多说，直接上干货吧，内容较多，建议收藏。
研究生开始，我一直研究图形学和渲染。 渲染对于游戏开发、以及现在VR内容的开发来说是非常重要的议题。 打个比方，你做房地产展示类的应用，那么渲染就很重要，房屋内的光照，日夜之间的切换，这些都需要渲染，做的好的话，将成为让你的应用脱颖而出的杀手锏。 不过，渲染虽然重要，在现在的VR内容开发中，却还没有成熟的解决方案，特别是针对Unity开发者。 大家都知道，虽然虚幻引擎效果比较好，可以做出电影级别的画质，但很大部分的开发者还是使用Unity开发，包括我自己。 Unity的效果不太完美，不过我们不能因为它渲染效果不好，就去做一个不完美的东西。这样不行，因为你的产品最终是要跟别的引擎做的东西去竞争。 所以，我今天来讲的就是渲染方面的基础知识，和在Unity里面怎么去优化它的效率，一些指南性的东西。 这样主要是为了大家在之后使用Unity开发的时候能够有一个全局上的了解和判断。 比如说，为什么我的游戏运行的这么慢？ 为什么我的帧率这么低？ 或者为什么我想要的画面和游戏运行出来的画面差的这么多呢？ 到底是我的全局光照出了问题还是说我的抗锯齿有问题？ 在开始之前，我想先给大家看一个Unity做的电影。（视频见文末视频1。） 它和传统电影制作流程不一样，完全是在引擎里实时运行的。 这个也是Unity做出来的效果，质量很高，接下来，我们会逐步去分析它。 可以看到的是，首先，这个机器人的材质非常的真实。金属的高光、地板上的反射。 反射在我们生活中很常见，但在游戏引擎里是比较难实现的技术，不管是实时的还是烘培的反射。 但它使用一些特殊的技术去实现反射的技能。这个过道光很自然，你在使用Unity开发的时候，打一个普通的面光源或者点光源，很难做到这么自然的光照。 这是因为它在这里面使用了全局光照的技术，或者叫做间接光照。 影片主题其实就是说机器人是人类的造物，或者说人类成为了上帝，这是我自己的理解。 大家看到那个电影很酷炫，有一种电影级的画质。当然我们不考虑显卡因素，因为刚才放的那个电影是用三块GTX980去交互渲染的。VR现在很多的开发者也有1080或者我们AMD的FURY X，Fury Nano这种级别的显卡。 假如你有一块这么好的显卡，你怎么做出一个非常牛逼的画质呢？ 怎么理解渲染？ 性能 有两点要求需要满足。 • 在某个固定的平台上必须要达到一定的帧率。 就是说，看起来至少每秒得能够有75帧，其实必须要达到90帧才不会晕眩。 • 必须要满足游戏设计艺术家的要求。 这并不是说特效堆的越多越好，或者说做出来的渲染越真实越好，并不是这样。 比如说，你的游戏可能是水墨风格，可能是美术风格。你用现有的技术把它做的非常漂亮，这是一个很好的渲染系统所必须拥有的特性。 我们想到的现在比较优秀的作品，比如说《使命召唤》或者《战地》。为什么它们能够在PS4上跑出这么优秀的效果？ 除了美术过硬之外，他们也使过非常多的光照、贴图、建模上的技术去实现效果。 当然，在VR里面，这些渲染实现会更加的难。 因为大家都知道，VR是两只眼睛，通过左右眼的视差去产生立体感。 首先，至少要渲染两个runnertarget，也就是说两幅图像； 其次，平常我们使用的PS4或PC上的分辨率1080p已经非常高了，现在渲染的分辨率要2k（HTC的分辨率是2k，Oculus的分辨率也是2k以上），两只眼睛，同时帧率还不能说只达到60FPS，而必须达到75FPS或者90FPS。 在这种情况下，你必须要牺牲掉一些效果。甚至说，你要牺牲掉很多效果去达到基本的性能要求。 在这个情况下，优化就显得非常重要。 锯齿 还有一个比较重要的因素，就是我们在VR里，眼睛离屏幕非常近。 同时，我们的眼睛一直在运动的。 那么，我们平常在用电脑玩游戏或者手机玩游戏的时候，一些比较不明显的画质上的差异它就会体现出来，特别明显的就是锯齿。 玩游戏比较多的人知道有个名词叫“狗牙”。比如说一个非常细的多边形，我看上去会有一段一段一段的“狗牙”，或者说一块金属反射的高光，我在玩的时候它会不停的闪烁，就会让人感觉画面很不稳定。 而在VR里面这种情况更加的严重，也就是我们通常说的抗锯齿会变得更加的重要。 怎样解决性能上的问题？ 我先讲一下，怎么解决这些性能上的问题。 减小渲染图像 首先，一个比较自然的想法就是把要渲染的图像变得小一些。 那么怎么变的小一些呢？ 一个很明显的优化思想就是，渲染并不是说两幅图都是2k的图片，并不是要把这2k全部渲染出来，因为现在的头显是有FOV的，它在边缘是有畸变的。 也就是说我们完全是可以只渲染中心一部分的图片，而并不是把整个图渲染出来。 用一个遮挡的Mesh去把不需要的像素点剔除掉，对你真正的体验来说不会有任何影响。 举一个例子，Valve公司做的《The Lab》的Demo。 在这里面就讲到，用一个圆形的Mesh去保留所需要的像素。边缘那些黑的在VR头显里面，或者说在HTC Vive或Oculus里面不需要这些像素。它测算出来的结果是，通过这个能够把17%的像素去剔除掉。这是一个比较自然的想法。
注视点渲染技术 还有一个类似的想法，像素的着色或者说像素的渲染，是GPU里面损耗最大的部分，那我们能不能把这些像素不要再去扔掉呢？ 其实最简单的思想是，人在看东西的时候是有一个焦点的。 打个比方说，我现在看到的这块屏幕，我的眼睛会集中在这块屏幕上。我不可能太多的关注周围的窗帘、包括这块广告板。 那是不是说，我们可以把更多的GPU的效率提供在这块板（焦点）上而不是我们同样的渲染整个视场中的，包括这边和这边的物体。 这就是一个非常简单或者说非常直白的叫做Foveated Rendering，就是注视点渲染技术。 传统的渲染流水线中，我们会把三维空间的物体投影到屏幕上，然后每个像素都一个一个地按部就班的去着色。 实际上在VR里面，它还真不是这样。因为在VR里面我们有注视点，可能说我们只看中间的那一小部分，而并不是说我们对整个的画面中的像素都是一视同仁的。所以说，有一个非常简单的实现技术，固定的注视点渲染，它并不是说我们需要实现眼球跟踪那么复杂的技术。 比方说，我在看的时候，我的眼球会往这边看或者往那边看。 我们做一个最基本的假设，就是说我的眼球总是看着最前方，然后我们通过一个算法把周围像素着色的密度去降低，那就可以提高很多的效率。 这里说的GameWorks VR，也就是英伟达推出的关于VR渲染的技术里面，也用了同样的思想，就是Multi-resolutionshading。 这个思想其实是一样的，它就是说我也假设我的视点永远是在画面最中心，然后我把画面分成大概9个区域，分别按不同的着色密度去渲染。 我看过官方的数据，这个Multi-resolutionshading能够提高15%或者20%的着色效率。 还有一个比较浪费的就是，在VR里面你要渲染两遍，左眼和右眼。 其实很多东西是不需要渲染两遍的。 最基本的就是说，和灯光有关的东西，你根本不需要渲染两遍。 • 比如说Shadow map，也就是阴影。 因为，阴影是跟灯光有关的，和摄像机的位置无关。你的两只眼睛不管距离多大或者是差异性有多大，它都是一样的。 • 还有一个比较值得研究的就是，比如说漫反射。 高光我们可能在两个眼睛里面会有很大的区别，但是漫反射其实区别比较小。 • 再一个就是说，比如说很多的后处理的特效。 比如我们的光晕、HDR高动态范围，这个特效其实都不需要渲染两遍。 所以我推荐，基本上大家在做VR开发的时候能够用Unity 5.4，虽然现在还Beta版，但在5.4里已经开始对这些东西做了一些优化。如果你用5.3的话，可能效率还是要低一些。 怎样解决锯齿上的问题？ 然后我再讲的就是刚才说的锯齿问题。 这个东西在VR里面会是一个非常严重的问题。 大家都知道Unity里面摄像机可以设render pass，包括有前向渲染Forward Rendering和延迟渲染Deferred Rendering。 在VR里面我们怎么去选择这个呢？ 你在做一个小游戏的时候，可能根本不会care这个东西。 用前向渲染和用后向渲染，显卡都是能够满足目标的。但是，我在这分析的就是说前向渲染，它有一个天生的好处就是能够在硬件上支持MSAA。 我们玩游戏的都会知道一个选项，如果你去把《使命召唤》或者这样游戏里的图形选项打开，它有一项就叫MSAA。 MSAA实际上是显卡里用硬件算法去支持的。 如果你用前向渲染，它天然就自带了一个MSAA的效果，锯齿问题就不是那么严重。 但后向渲染其实就是一个非常尴尬的事情，如果游戏玩的多的可能都知道，现在有抗锯齿的FXAA，其实是基于一个图像分析，这个图像分析在VR里面用处并不是很大，或者说即使加上了对于锯齿的改善并不是很明显。 所以，我向大家推荐Unity里面非常强大的插件，就是VALV的Lab Renderer。 其实这是VALVE的工程师在做The Lab这个Demo的时候，想到的这个事情。 如果你听过他们在GDC上的演讲，就会明白他们也用Unity做开发，那他们为什么不用Unreal呢？ VALVE做的《半条命》、《DOTA2》，是非常高端、特效非常好的游戏。为什么它要用Unity呢？他们工程师就说了一句：“我们发现用Unity的团队，大部分都是小团队，而这样的小团队里面是不可能有一个人去专门研究图形，专门研究画面效果的，所以我们去专门研究这样一个插件叫做 The LabRenderer 的技术。” 目的就是说能够帮助小团队去实现一个还不错的渲染效果。 这个渲染其实特别容易。 它就是最简单的一个 pass forward renderer前向渲染器。 能够最大的支持16盏动态光源。我想16盏动态光源对于绝大多数游戏或者非常复杂的应用来说都是够用的。 它最大的特点就是说MSAA，能够天然支持MSAA，锯齿是非常不明显的。它天生就自带了我刚才说的那些注视点渲染、像素剔除这些技术。相比Unity默认的渲染，你使用它渲染会有非常好的效率上的提升。 当然，它也有一些限制。 它必须用自己的Shader。 比如说你在Unity用惯了标准材质，或者你自己买的一些Alloy Shader，贴图就要重画或者重新连接材质的节点。 用这个插件需要你去做一些修改。 当然，如果说项目并不是很大，我非常推荐使用这个东西。去学习一下它的流程，一个是对你自己，对整个团队的图形学知识是个很好的。 另外，它整个代码是open source，在asset store上，搜The Lab Renderer就可以下载，不需要掏钱。 再一个就是说，你不用花时间去纠结一些比较基础的东西。 比如Unity没有注视点渲染、没有像素剔除的技术。那你看一下用Unreal开发的，天生就自带Gameworks VR，人家做出来为什么这么快。你自己如果要花时间去写，花时间去研究，这就是一个非常大的工程。所以VALVE给你搭的这一套东西就节省不少的时间。 然后我讲一下，前向渲染对于我们来说并不是一个非常完整的解决方案。特别是MSAA对于比如说高光的锯齿并不是能够解决的很好。 那么我们在Unity里面是不是有别的更好的技术去解决它？ 我在这里强调的是前向渲染对于多光源并不是非常有效率，包括刚才说的，可能只能支持16盏光源，再多它的帧率会下降的非常快。 即使是支持到16盏光源，也并不推荐你完全的用满它。 再一个是，比如说，我们很想使用一些特效，比如屏幕空间反射。但这个东西对于前向技术就没有办法实现，因为屏幕空间反射需要用到屏幕的几何信息，那怎么办？那我们是不是有一个更好的方法？ 还真有。 大家想一想，我们做电影和做游戏的区别是什么？ 做电影其实是一个追求质量的过程，做电影一帧可以渲染1个小时、2个小时。但做游戏，或者说做VR内容开发，我们需要的是效率，一帧最多是十几毫秒。如果你超过20毫秒，那这一帧基本上完蛋。所以说，电影上的一帧可以一直渲染下去，直到它收敛为止。 那么，渲染在图形学里面其实就是一个不停采样的过程。 而抗锯齿根本的来源就是，一个渲染的图像，它缺少信息，大家如果是工科或理工科出身的，就知道 “奈奎斯特采样定理”。 我的采样频率要高于我最高频率的两倍，我就能完整地恢复出我需要的信息。 在渲染这个领域其实也是一样。 打个比方说，我们大家都知道，最简单的抗锯齿的方法是什么？你渲染一张2k的大图，把它缩小到1k，那这张图肯定锯齿非常少。 为什么？因为这相当于我们对1k的图的每一个像素做了四次采样。但是实际上，你真的去渲染一个2k的大图，那么VR有2k我可能就要去渲染4k，你这样去抗锯齿显然是不行的。 后来就有聪明人说，游戏最大的特点是连续性，那如果我能够找到每帧之间相同的像素，那我就能在时域，也就是说很多帧之间去做个采样。 就实现了个超采样，也就是所谓的Super Sampling。 有的时候大家在数据信号处理的课里面，提到这个Super Sampling。这个能够很好的提高画面的质量，最关键的是这个很便宜，或者说并不是很好，当然它的实现难度是有的。 我给大家看一个具体的例子。这个Demo挺有名的，使用虚幻引擎做的。这个是没用时域抗锯齿的结果，大家看到最大明显的特点是闪。因为，整个画面高光的东西太多了。如果说你不用抗锯齿，画面会非常不稳定。这个地方会特别的闪。 我们加上了时域抗锯齿的结果，是什么？ 最大的特点就是整个画面非常稳定，这样看起来是不是就有电影级别画质的感觉。画面稳定、像素没有任何瑕疵，包括在高光的地方也不会闪，非常的稳定。 我刚才说的 Temporal AA 一样的，在asset store上也可以找到一个还不错的实现。我不知道大家知不知道limbo这个工作室，可以去搜limbo的taa，能够得到非常不错的Temporal AA，也是直接在GitHub下载就可以了。 我想跟大家建议，要擅于利用包括GitHub、Asset Store这样的插件让我们的开发提升效率。 如果你想做很棒的产品，你必须要擅于利用这些前人已有的资源。 怎样解决全局光的问题？ 然后，我再讲全局光的问题。 全局光问题历来是游戏里比较头痛的问题，特别是在VR里面更麻烦。 什么叫全局光照？ 比如一个灯打到一块黑板上或者地板上，它投下来的影子那是直接光照。但如果它在地板上反射出去的光线照亮了其他物体，那这个就是全局光照。 全局光照一般是通过烘焙，也就是离线的方法把全局光照存成某种数据结构，在游戏实时运行时调用去实现的。 但在VR里面对于实时的运算是要进行严格的限制，所以我不推荐大家在VR里面使用实时的全局光照技术，比如说提速、mpv这种技术。 我建议大家老老实实用标准的光照贴图，也就说烘焙一张贴图然后贴上去。 但是，Unity又是一个非常麻烦的问题，Unity自身所带的enlighten的烘焙，不是很好调出非常好的效果。 我想大家可能都看过Unreal的一些作品，比如说Unreal做的室内装修，为什么室内装修企业，比如说51VR，他们都会用虚幻引擎去做室内装修呢？ 一个最大的原因，室内装修对于全局光照的要求非常高，Unity是达不到的。如果你是用Unity做东西，用enlighten去调一个非常好的全局光照，难度很大或者说几乎不可能。 所以，我推荐大家尽量去使用另外的烘焙工具，比如说 vRay。 当然，你把它导进Unity里面是需要耗费一定的工作量，但是这个比你去用它自带的烘焙工具要好一些。 我们这边也做过尝试，如果真的去用比较优秀的烘焙工具的话，Unity做出的室内设计或者室内展示的质量是不会输给Unreal。 当然，还有屏幕空间的技术，大家都知道屏幕空间的技术关键就是在于快，缺点就是精度不够。 比如Unity自带的SSAO这个就是一个非常好的实现，但在asset store有HBAO或者是别的AO技术，大家都可以试一下。 我建议大家能用就用，在硬件够、本来全局光很矬的情况下，你没有这些AO补偿的话，画面会比较挫。 再一个就是屏幕空间反射，屏幕空间反射现在在5.4的beat版里面官方已经有了，其实你们只要在相机上加上imagine facts里面就会有这个。 当然实现的屏幕空间发射在Unity 5.4实现可能不是那么完美，但其实它已经是够用的。 如果场景里有非常多的金属物体，或者说非常多的镜面，使用反射的话会大大增加你视觉上的观感。 打个比方说，我是在一个很空旷的金属竞技场里面，甚至说我只要有空间反射的技术可能不需要GI，就能给人一种非常好的视觉上的表现力。 说了这么多，我觉得其实优化还是那套方法，大家都知道的，简单说减少drawcall、减少DC、batching。 Unity的batching这个东西是一个老生常谈的话题，在百度、谷歌上一搜会有很多相关词条。 怎么去batching？在场景里怎么去batching？ 在VR里面，要求会更高一些。 比方说，我听过一个讲座，《Gunjack》就是在GearVR上实现的游戏，它对drawcall这个东西限制就非常严，它每只眼睛的drawcall不能超过50。 所以，不管你是开发HTC或者是开发什么样的应用，drawcall、batching这些东西一定要非常的注意。 你不能无限制的堆你所需要的东西，而是说做一段时间，可能就要运行一下，用Unity的工具去看一下，我现在这个场帧率是多少？我到底在哪里耗的特别快。 还有一种比较好的方法就是说，实在不行就按艺术家的方法去画。 打个比方说，bloom光晕特效，这个东西大家都知道Unity里面有shader自带，但是这个占的时间。 如果你是做移动平台的，你可能知道移动平台后期处理的效果是非常占时间，那怎么办？直接美术画上去，这也是非常行之有效的方法，当然也考验你美术的能力了。 再一个，我推荐多去测你游戏的性能。包括professional unity 5.4里也已经是比较完善的一个东西。 多去测性能、多去了解你游戏的瓶颈、bottleneck在哪里、是shader太多了还是说我某个特效真的不该用。不要在编辑器里测，最好是打个光。 对于开发者的建议 最后说一下，渲染有一个自我的评估。 当然我知道现在的很多团队是不会专门有一个程序员、或者专门有技术美术去关注这一块的。 但是我想说的就是，希望大家能够去多考虑一下。 比如说，你所需要的特效的特点是什么？ 比方说，如果做的是一个机械的大战，你可能非常需要反射，可能就会去使用一个屏幕空间反射的特效在Unity 5.4 beta版里面会有。 再比方说，你做的是一个互动电影，那么对画面的要求会非常高，那么抗锯齿就要做的非常出色，那你只能使用时域的抗锯齿temporal AA，我刚才说的那种方法。 具体问题具体分析，渲染这个东西，永远不是一成不变的。 它不是像电影渲染一样，只要渲染的够真实或者说只要去模拟每一根光线的运动轨迹，就得到一个非常完美的图像。 关键在游戏里面，根据美术风格去做出妥协，根据性能去做出妥协，所以这是一个永远会谈论下去的话题。 你很难去说，我某个引擎特别牛，任何游戏都能做。即使是效果这么好的虚幻引擎，它也很有可能也有做出来帧率非常低的情况。 如果你不懂，不懂删减特效的话，你最后很有可能遇上非常大的麻烦。Unity的帧率并不是一个很大的问题，但是它的效果同样是个很大的问题。 如果你不懂得怎么通过各种各样开发，包括shader的技巧去加特效的话，也可能很难做出非常优秀的作品。 所以，我希望大家能够多讨论，有问题就提出，甚至能够建立一些自己的library或者open source library，去提高整个VR社区开发者的质量。 |
