深入理解Occlusion Culling

发布时间：2023-05-22

Occlusion Culling 是一种高效的优化技术，可以帮助游戏开发者在运行时减少渲染物体数量，提高游戏的性能。它的基本原理是通过检测物体的可见性，来判断是否需要在场景中进行渲染。如果物体被遮挡，则可以直接忽略不渲染，从而节约宝贵的 GPU 资源。本篇文章将从多个方面详细讨论 Occlusion Culling 的基本原理、应用场景、算法实现、优化技巧以及未来发展方向。

一、原理

Occlusion Culling 的原理非常简单：当物体被其他物体遮挡时，它是不可见的，因此无需进行渲染。所以我们需要对场景进行分析，找出哪些物体是可见的，哪些是被遮挡的。这个过程一般包括两个步骤：

  1. 定义游戏场景的可视范围。这可以通过摄像机来实现，通常是通过裁剪空间来实现。
// 通过摄像机定义可视范围，裁剪掉不在范围内的物体
bool IsInCameraFrustum(Camera camera, GameObject obj)
{
    BoundingBox bbox = obj.GetBoundingBox();
    return camera.IsInFrustum(bbox);
}
  1. 检测已知物体是否被其他物体遮挡。
// 使用层级遮挡图(Hierarchical Occlusion Map) 检测物体是否被遮挡
bool IsOccluded(HierarchicalOcclusionMap map, GameObject obj)
{
    BoundingBox bbox = obj.GetBoundingBox();
    return map.IsOccluded(bbox);
}

二、应用场景

Occlusion Culling 通常应用在场景较为复杂、物体数量众多的游戏中。例如 TPS、FPS 等射击类游戏，实时战略类游戏，赛车类游戏等。在这些游戏中，场景中往往存在大量的遮挡物，如建筑、山脉等。这些遮挡物需要花费大量的 GPU 资源去渲染，而且它们往往对游戏性并没有任何贡献。通过使用 Occlusion Culling，我们可以从渲染流水线中剔除这些无用遮挡物，从而将渲染物体数量减少到最低，提高游戏的性能。

三、算法实现

实现 Occlusion Culling 通常有两种方式：基于 CPU 和基于 GPU。基于 CPU 的方式通过计算机算法快速地找出需要被渲染的物体，然后通知 GPU 渲染。由于 CPU 性能有限，这种方法一般只适用于简单场景。而基于 GPU 的方式则是利用现代 GPU 硬件的优化特性，将 Occlusion Culling 计算放在 GPU 上，大大提高了计算效率和渲染速度。 在基于 CPU 的实现中，Occlusion Culling 通常采用层级遮挡图 (Hierarchical Occlusion Map) 算法。该算法首先将场景分为多个单元格 (cell)，然后遍历每个单元格，针对每个单元格，计算其所对应的 Occlusion Map。Occlusion Map 通常保存为二维位图，位图中的每个像素表示场景中的一个物体。Occlusion Map 的计算需要遵循如下规则：

  1. 如果两个物体的包围盒 (Bounding Box) 相交，则它们是相互可见的。
// 计算两个包围盒是否相交
bool IsBoundingBoxIntersected(BoundingBox bbox1, BoundingBox bbox2)
{
    return bbox1.Intersect(bbox2);
}
// 计算Occlusion Map
void ComputeOcclusionMap(Cell cell)
{
    foreach (GameObject obj1 in cell)
    {
        foreach (GameObject obj2 in cell)
        {
            if (obj1 == obj2) continue;
            if (IsBoundingBoxIntersected(obj1.GetBoundingBox(), obj2.GetBoundingBox()))
            {
                SetPixel(occlusionMap, obj1, obj2, true);
            }
        }
    }
}
  1. 对于被遮挡的物体，它们的 Occlusion Map 可以由遮挡它们的物体的 Occlusion Map 合并得到。
// 计算被遮挡物体的Occlusion Map
void ComputeOcclusionMap(GameObject occludedObj, List<GameObject> occludedBy)
{
    foreach (GameObject obj in occludedBy)
    {
        if (IsBoundingBoxIntersected(occludedObj.GetBoundingBox(), obj.GetBoundingBox()))
        {
            Merge(occlusionMap, obj.occlusionMap, occludedObj);
        }
    }
}

基于 GPU 的实现通常采用可编程着色器 (Shader) 来实现 Occlusion Culling 算法。在这种实现中，GPU 可以利用并行处理的特性，同时检测多个物体是否被遮挡，从而大大提高了计算效率。

// 使用着色器计算Occlusion Culling
Shader "Occlusion Culling"
{
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            struct VertexInput
            {
                float3 position : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };
            struct FragmentInput
            {
                float4 position : SV_POSITION;
            };
            FragmentInput vert(VertexInput input)
            {
                FragmentInput output;
                output.position = float4(input.position, 1.0);
                return output;
            }
            float4 frag(FragmentInput input) : COLOR
            {
                // 计算是否被遮挡
                bool isOccluded = ...;
                if (isOccluded)
                {
                    // 让物体不可见
                    discard;
                }
            }
            ENDCG
        }
    }
}

四、优化技巧

  1. 使用多层级遮挡图，增强渲染物件数量的计算性能。
  2. 将场景分成多个单元格，每个单元格都有自己的 Occlusion Map，提高计算效率。
  3. 使用 GPU 计算来优化 Occlusion Culling 算法，提高计算速度。
  4. 根据物体的运动状态，及时更新其 Occlusion Map，从而保证物体的可见性。

五、未来展望

随着硬件性能的提升，基于 GPU 的 Occlusion Culling 将会成为趋势，同时还可以结合深度学习等技术来进一步优化算法效果。另外，Occlusion Culling 还可以结合屏幕空间的反射贴图、环境光遮挡等技术，进一步提高游戏的画质和性能。

推荐文章