Unity 模型的动态LOD优化

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前言

  上一节主要讲述了动态生成球体模型的思路及正二十面体的生成，这一节我们来讲讲如何实现实现。因为将来要是生成的是一个6371km并具有一定分辨率的球体，若将每个顶点都细分计算出来，这样的顶点数无疑会是个天文数字，如此巨大的开销在目前的主流PC设备上，想要流畅运行几乎是不可能的。并且unity中单个模型的顶点数也不能超过65535，所以必须用多个模型来组成一个球体，这些模型的管理也是一个比较大的性能开销。所以这里使用LOD技术，在不影响整体效果的情况下，对距离玩家近的部分，细节程度越高，顶点越密集；反之细节程度越低，顶点越稀疏。

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关于LOD技术

  LOD技术（Level Of Detail）指用若干不同复杂度的模型来表示同一对象的技术。此技术主要根据视点距离对象位置的变化调用不同复杂度的模型，即在较远时调用低复杂度模型，在较近时调用高复杂度模型。采用该技术虽然会损失一定的逼真程度，但可以减少场景绘制的多边形的数量，节约了系统资源，与它提高的性能来说，这些损失是可以接受的。对于静态的LOD，同一个物体一般需要准备若干个不同精度的模型，根据与玩家的距离加载不同精度的模型，而动态的LOD需要在某些时机，比如玩家靠近或远离了一定距离，动态计算出适宜精度的模型。

静态的LOD当然性能更好，因为不用动态地去计算模型，直接从内存加载即可，是用空间换时间，对于一些比较复杂的模型一般也是用静态的LOD，unity也自带有静态LOD处理的功能。但这里由于模型本身就是动态生成的，所以必须要使用动态的LOD，并且我们的模型也比较简单，只是一个三角面，是可以计算出来的。

三角形瓦片的计算

  这里我们将一个细分的三角面作为一个最小的模型单元，具体需要细分多少可以自己定，细分后最高的顶点数不超过65535即可。这里我是设计了一个叫Tile（意为瓦片）的类，之后也将其称为“瓦片”以免与其他概念混淆。这个类通过三个顶点位置去计算由这三个顶点所围成的三角面，然后通过一个细分程度作为参数去进行细分。例如下图，细分3次，也就是把外面那个大三角形的边分成了3段：

其中的每一个点也是比较容易就能求出来的，用点b减去点a即可得到向量AB，向量AB除以细分程度+1即可得到向量AD（以下公式的向量用大写字母表示），以此类推也可以得到DE，点a不用求，点d=a + 1* AB，点e=a + 1AD + 1DE，所以这三角形上的每个点=a + n* AD + m* DE，其中n <= 细分程度+1，m <= n。用一个双循环累加（当然乘以m或者n也行，这里用加法主要是因为加法比乘法快）就可以求出这个三角面的所有顶点了。
接下来要求它的三角形连接顺序。我们先从上到下给这个模型的所有顶点都上个标号，对应的也是顶点在数组中的下标：
先通肉眼观察，这些三角形顺时针该怎么连，（0，1，2），（1，3，4），（1，2，4）……（8，9，13），（9，13，14）好像都没什么规律，但通过仔细可以发现：朝向相同的情况下，右边的三角形与左边的三角形的每个顶点的标号都是相差1，因此我们只需要求出左边那一列的三角形的连接顺序，就可以得到其右边的三角形连接顺序，问题就来到了然后求左边的三角形的连接顺序。再看看左边三角形的顶点0、1、3、6、10，发现规律0=0，1=0+1，3=0+1+2，6=0+1+2+3，10=0+1+2+3+4，将这些顶点按行排好，左边方向朝上的三角形的顶点标号=该顶点所在行数的等差数列和，行数从第0行开始，最后一行为细分次数+1。得到了这个规律，那另外两个点就好算多了，右下点=左下点+1，左下点=顶点行号+1的等差数列和。以此类推，也可以计算朝下的三角形。朝下的三角形的行号从1开始，最后一行=细分次数，右上点=左上点+1，左上点=该顶点所在行数的等差数列和，下面的点=该顶点所在行数+1的等差数列和再+1。最后通过循环计算出右边的三角形，循环次数为当前三角形顶点的行号，与此同时也可以计算顶点朝下的三角形连接顺序。

实现更大的细分程度

  我们现在有了一个可以细分出具有一定面数的瓦片，理论上把20个瓦片细分到一定程度，然后贴在正二十面体的各个面上，最后乘上一个半径即可得到一个球体的模型，但是如果是需要生成一个半径非常巨大的球体，那需要细分的程度会非常高，这会导致单个瓦片模型的顶点数超出65535，并且我们需要实现在离玩家近的距离上细分程度高，越远细分程度越低。那既然单个瓦片的细分次数有上限，我们就需要用很多瓦片去铺满正二十面体的各个面，那么如何去铺这些瓦片呢？让我们再来研究一下三角形：
可以发现，当一个三角形细分一次，会得到四个小三角形。而正二十面体的每个面都是一个三角形面，细分后得到的每个小三角形也可以再次细分成4个更小的三角形，只要细分的次数够多，最后再贴上瓦片，就能得到我们想要的细节程度。而贴在这些三角形上的瓦片，为了方便实现动态LOD，将使用四叉树进行管理。为了节省性能，这颗四叉树只有叶子节点是真正存储有瓦片模型的，其他节点只存储节点间的父子关系。因为当一个瓦片被细分后，原来的模型应该消失，只有细分出来的小瓦片显示出来就足够了，也就是它的叶子节点。

基于四叉树的动态LOD技术

  要实现离玩家远时细节程度变低，离玩家近时细分程度变高，首先要知道，某个三角形离玩家多近？知道离玩家多远后该降低还是升高自己的细分程度？降低或升高为多少？为了解决这个问题，我们需要引入一个概念叫LOD等级，LOD等级越高细分程度越高，反之亦然。
我们可以通过当前瓦片与玩家的最短距离，决定LOD等级。当玩家距离瓦片为0，也就是站在瓦片上时，LOD等级最高。距离越远，LOD等级逐级下降，直到LOD等级为0，LOD等级为0时也就是不进行细分，直接是一块很大的瓦片。那最大LOD等级又如何计算呢？这得取决与两个因素：1、每个瓦片的细分程度；2、最高瓦片模型分辨率；3、星球的半径。比如当最高瓦片模型分辨率为3米，玩家脚下的瓦片，与玩家的距离是0，它的LOD等级最高，细分程度要达到瓦片模型上每个顶点的距离在3米左右，在距离玩家较远的模型，LOD等级逐级下降，分辨率也逐渐减小，由3米，到6米，到12米……程倍数增加。最后LOD为0的分辨率多少米我们不用关心，因为太远了也看不到。 如果按照距离来划分LOD，比如最高LOD等级为8时，小于300m为LOD 8，小于600m大于300m为LOD 7，小于1200m大于600m为LOD 6……以此类推，每段LOD等级的持续距离都是比它大的LOD等级的持续距离的总和。同时利用LOD等级来决定四叉树的深度，其具体用法后面再详细说明。

可以看到，离玩家越近时，顶点越密集，反之越稀疏。
  现在完成了LOD的计算，但目前还不能算“动态LOD”，因为玩家不可能是一直站着不动的，我们还需要根据玩家位置不停地更新瓦片的LOD等级，当一些瓦片的LOD等级发生改变时，还需要重新去生成这些模型。写到这时我不禁产生一个疑问：那既然每个模型都是一样的三角面，只是它们的缩放和位置和旋转有所不同，那是不是可以直接只计算一个，然后通过这个模板去复杂去其他的瓦片模型，最后改下缩放和旋转和位置，贴到球面对应的位置上不就可以了吗？模型的三角形连接顺序确实可以不用重复地算，但模型的顶点，还是要重复算的，因为到后面，为了生成出地形而不是一个光溜溜的球面。我们还是需要遍历每一个顶点，还要计算每个顶点的高度，既然每次都要遍历这些顶点，与其去做这些麻烦的变换，还不如直接边创建这些顶点边计算高度，从而让它看起来像是一块地表，而每块地表都是不一样的。
  要去动态的更新这些模型，我们需要用到Unity的ECS技术去检测需要更新的瓦片，再用Compute Shader或者Unity Job系统去动态生成瓦片模型。

Unity ECS技术

  ECS（Entity Component System），中文翻译过来是实体组件系统，是截至目前Unity的一项比较新的技术，目前仍处于体验版本。它不同与我们平常的面向对象的编程范式，它是一种面向数据的编程范式。
  Entity：并非是一个分配的内存中的对象，它只是一个ID号，作用类似于容器的索引。Component：与Entity相关的数据，是一个struct。System：处理Component数据的逻辑。
  ECS运行效率非常快，主要原因是它能够充分利用CPU的高速缓存，提高数据在CPU的高速缓存命中率，从而大大提高了CPU访存速度。CPU操作数据会先从高速缓存中取得数据，速度非常快，如果在高速缓存中没读取到需要的数据，也就是没有命中高速缓存，就会去内存中读取。由于CPU到高速缓存读取数据的速度远远高于从内存中读取的速度，所以提高高速缓存的命中率就可以提高运行效率。与传统的面向对象中new出来的GameObject相比，Component体积可以设计得更小，组织更严密，能更多的塞进高速缓存里。例如当我们需要频繁操作一个GameObject的坐标数据，在传统面向对象模式下会把整个GameObject加载进高速缓存，而我们真正需要频繁访问的只有坐标数据，其他数据却也加载进高速缓存，白白浪费了高速缓存。而ECS中使用的是Component，只需要把要操作的数据组成一个Component，大大避免了浪费高速缓存从而存储更多数据提高缓存命中率。
  当然ECS也有一些不足，就是目前的Unity ECS还不是很完善，各类资料较少，与之配套的很多系统也没完善，用起来对代码的设计要求更高。
  ECS目前（2022.9）仍然处于频繁更新中，很多教程刚出可能很快就会过时了，推荐看官方文档（源码是用0.50.0版本）：https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.entities@0.51/manual/install_setup.html

检测和更新瓦片LOD

  定时检测瓦片与玩家距离，当瓦片的LOD等级高于当前距离玩家合适的LOD等级，则向上找到对应LOD等级合适的父瓦片，重新显示父瓦片的模型，然后删除四叉树结构下该父瓦片下的子瓦片，这里的删除是指将其放回对象池，防止频繁地产生GC，这样就可以达到降低细节程度的目的。
  当瓦片的LOD等级低于当前距离玩家合适的LOD等级，则删除自己的瓦片模型，细分一次，最后再细分出来的4个三角形内贴上子瓦片，并加入到四叉树结构中。在贴的时候需要注意的是瓦片模型的顶点要多出来一圈，使之与相邻的瓦片部分重合到一起，防止两块瓦片之间LOD等级不同时出现裂缝。
  至于模型的计算，这也是个比较耗性能的点。计算这些模型的顶点虽然简单但它数量巨大，并且做随机地形的话还要为每个顶点计算一个随机的高度值，所以又不得不使用Unity Job系统或者Compute Shader，可以查看源码看看它的使用方式（在专栏简介有GitHub链接）。