TGDC | 天刀手游引擎负责人：顶级画面背后，我们解决了哪些难题？

2020-12-11

为期四天的腾讯游戏开发者大会（Tencent Game Developers Conference , 简称TGDC）已于12月7日在线上正式召开。


在昨晚的主题演讲上，腾讯互动娱乐《天涯明月刀》手游引擎负责人刘冰啸以「用技术诠释国风浪漫的归去来——《天涯明月刀》手游开发历程」为主题，分享了《天涯明月刀》手游如何在移动端平衡画质、帧率与功耗来诠释国风浪漫的。

为提升阅读体验，内容有删减和调整：

大家好，我是刘冰啸，是《天涯明月刀》手游引擎的技术负责人。这次主要分享一下《天涯明月刀》手游开发历程中几项关键点的技术决策和开放经历。

1.手游引擎开发三要素

手游引擎开发需要考虑几个重要要素。


首先是画质。这点可以进行一些选择，比如是希望它突出远景，还是突出近景？希望它是优于室内，还是室外？希望整个画面效果是鲜艳，还是更加自然？是优先光线的表达，还是优先影子的效果？

第二是帧率。对天刀手游这种强交互性的MMORPG游戏，我们需要一个高而且稳定的帧率。

通常我们在PC开发的时候，只需顾虑两个方面：先达成一个画质的效果表现，然后通过优化不断地提高帧率；帧率达成一个目标点后，再想办法引入更好的画质表现，两者再不停地迭代。

而手游，我们还引入了第三个维度——功耗。对手机来说，这是一个非常重要的维度，不仅会产生发热，而且还会影响到你游玩的单次时间。

在这三个维度上，对其中任何一个维度的增加，都会影响到其它另外两个维度的表达。

2.手游优化

对天刀手游的优化来说，开发引擎组采用了各种各样的技术栈获取更好的优化效果：


对多线程渲染引擎进行了优化，把大部分可以并行的工作，比如动画、布料，都放到其它的线程中进行运行；

使用了ISPC自动生成NeonSIMD的代码，可以更好地提升CPU的执行效率；

在GPU和CPU的遮挡剔除中，使用了不同粒度的遮挡剔除算法；

首先启用了Vulkan API，通过它对GPU的内存进行更好的粒度上的管理；

实现GPU driven的渲染管线；

用computer辅助优化各项其它的渲染技术；

画面上采用PBR材质和真实物理单位的lighting。


我们在每次测试中都会进入一个重要的优化。

在第一次测试中，我们对unity进行了多线程的框架改动，把渲染线程和提交线程从主线程中剥离出来。因为在手游的开发环境里面，一个主要线程的持续工作，会带来手机芯片的功率提升，这会导致更加严重的发热。

在第二次测试中，我们引入了Vulkan API。相对GLES来说，Vulkan API有着更好的、更轻量级的调用。经过测试，我们可以做到在提交线程上获得30%的CPU的效率提升。

在第三次测试中，我们引入了GPU driven技术。通过它可以把大部分CPU上的工作转移到GPU上去运行，不仅提升了GPU的效率，也减少了从GPU到CPU之间的各种传递的带宽。这项技术主要运用到地形、植被和家园系统里面。

三测时我们还修改并提升了整体的光照表达，引入了自动曝光，提升了Tonemapping的效果，解决了由于真实物理单位引入之后，在不同的关照环境下lighting体现的一些细节的颜色丢失问题。

我们重新对sky lighting进行了定义，使得整个场景的室外表现更加丰富且具有对比度。

3.GPU driven技术优化要点

接下来主要分享一下我们采用GPU driven技术对渲染技术进行优化的一些要点。


在开发过程中，我们经历了多线程的优化，发现了手机平台上一个优化的甜区：其实手机的多核，要比我们在端游时代更早的进入了多核时代。现在安卓手机很多都是四加四的多核架构，有点像上一代主机平台上看到的，在这些架构下，能让开发者更多地使用这些辅助的计算单元来提升计算效率。

我们引擎组采用了两个方向。一个是尽可能地剥离主线程上的计算，通过dispatch到其它线程上来提升它的计算效率；另一个是把计算转入GPU compute，它相当于现代渲染框架的一个基石，除了GPU进行光栅化处理的部分之外，compute能够完成大量的GPU渲染流程上的操作。

值得注意的是，compute的渲染语言其实完全能和GPU本身的硬件对应起来，例如里面的Local Data Storage机制，ThreadGroup和Thread利用率的概念。

另外就是使用compute能发挥Vulkan更大的潜力，因为我们可以使用后者对GPU的同步行做出非常好的控制。

Compute作为一个独立的单元，可以很好地把它的计算和GPU的其它计算并行起来。另外compute还是一个单独的Queue，对比vs和ps的整套pipeline，它是一个非常简化的单元，容易随处摆放。

采用compute可以给GPU driven和Bindless打开更广阔的优化空间，甚至可以使用Async compute方式进一步并行compute和GPU的单元。

对天刀手游来说，打开compute的关键突破点，就是GPU driven的地形系统。


先看一下行业的发展方向。在最近几年，GPU driven其实是一个相对比较热门的研发方向。在SIGGRAPH 15上，育碧有一篇关于GPU driven的渲染管线的文章，主要将《刺客信条：大革命》的开发；2016年GDC上，EA的寒霜引擎也提到了GPU driven的pipeline；2018年，育碧的《FarCry5》也实现了相关的功能。

再讲一下GPU驱动的渲染管线。它是GPU掌握实际的渲染控制，可以提供更细致的渲染力度。例如在做渲染剔除的时候，CPU只能控制在object level，使用Object Bounding做剔除，但在GPU层面上，我们可以做到更进一步的控制，在Mesh cluster级别上，通过切分Mesh来获得更好的力度控制。

它的另外一个好处是不需要GPU和CPU之间的数据来回传递，在理想的情况下，GPU driven甚至可以使用一个Drawcall绘制完成整个场景。当然，这个需要compute shader的支持，已经indirect drawing相关API的提供。

接下来看一下在天刀手游里，GPU地形实施之后的结果。


在这之前，先介绍一下CPU地形常用的算法。我们上一个版本里面的地形算法是CPU端的Geometry Clipmap算法，它采用视锥裁剪剔除方式；对比GPU driven，少了depth剔除；计算LOD的方式是根据距离计算的，而GPU driven可以根据距离和地形块的复杂度来计算。

送入clipmap方式的顶点处，因为有两个pass，其中一个要通过Virtual Texture来使用，这样就需要21万乘2的定点数。而在GPU driven的情况下，因为获得比较好的剔除效果，只需要8万6的顶点数。

再看一下GPU时间。在GPU driven的情况下，在iPhone8P上可以获得2.9毫秒的时间开销，这比通过CPU的方式节省了近四分之一的成本；而在CPU端获得的收益更大，提交线程和渲染线程每个都可以获得5毫秒以上的收益。

GPU driven的流程主要包含GPU driven和Virtual Texture两个算法，彼此的实现有互相交叉，出于简化，接下来只讲一下GPU driven。


首先是一个深度mips生成，这部分算法是在compute里面实现的；

其次，我们是在compute里面实现GPU遮挡剔除，它主要通过计算你所送入的patches的尺寸，看它处在哪一级的深度缓冲上，再对比这一级深度缓冲的深度和你的深度，来决定是否被depth剔除掉；

通过这个流程，我们可以获得可视的patches数目，据此通过compute做indirect的Arguments buffer生成；

最后是把这些准备好的indirect buffer绘制出去，这就是整个地形GPU driven的渲染流程。


其中有一个非常重要的优化，主要是利用compute里面的Thread shared memory方式，减少了CPU到GPU之间的多次dispatch，也减少了binding memory pingpong操作。

它能应用的范围主要在于对buffer做filter，例如我们经常在渲染管线中提到的Bloom、高斯模糊、自动曝光，这些对于区域进行filter的操作，都可以采用这些方法来获得优化。

在天刀手游中，我们会做第一次的dispatch，它会产生16*16的线程组，每组128条线程，这128条线程读入深度，然后放入mips里；第二步通过同步的方式，再把上一级mips相邻的四个点取出来，合并选择最深的单位，写到第二级的mips里，以此类推，完成四级的写出。

在第二个dispatch里，我们用同样的方法dispatch一个线程组、128条线程，同样把后面32*16的mips写入完成。

我们还有另外一个机制需要优化，那就是LOD体系。


在《FarCry》的实现里面，它主要采用的是CPU四叉树的方式来组织LOD的patches，根据距离更新四叉树上的节点，然后根据相机的距离选择这些节点，送入GPU进行indirect buffer和GPU Culling。

而天刀手游则把这些patch信息先通过offline的方式bake出来。我们在每一个相机发生位置变动的时候，会去更新这些bake出来的信息，再根据这些信息对改变的patch做过滤，然后生成新的indirect buffer。


在我们完成GPU driven地形之后，引擎组会把所有的流程重新梳理一遍，再根据这些梳理出来的流程选择可以应用GPU driven的其它渲染模块。

其中一个比较重要的渲染模块就是场景的植被管理。有经验的渲染程序可能会直接意识到，其实草的geometry和地形的patch，或者是sector的管理是一个非常类似的概念，他们都有LOD，都有不同的geometry的表现。我们绘制这些geometry LOD的时候，最好的方法是通过Multi Draw Instanced Indirect的方案来做。

另外一点是每种类型的草的Texture，其实对应在地形上更像是一个地形的Virtual Texture机制，我们也可以用bindless的方式做绑定。

可是在Vulkan 1.0的平台下，我们这两个API Multi Draw Instanced或者是bindless都没办法获得更好的支持。所以在天刀手游的实现里，我们只能将草的每种类型完成一次GPU driven的culling和Driven Indirect Buffer的生成。


在天刀手游里面，比较适合GPU driven的另外一个场景是家园的渲染。家园玩法要让玩家尽可能地定制整个家园的地形、地表、墙壁、地板、物件等等，它需要非常多的geometry类型；再者它的区域相对比较小，只有128米*128米的自定义空间，在这种情况下，遮挡剔除必须要做得非常好。综合这两点，GPU driven是最适合的。

问题在于，家园里的这些物件，其实和草的类型一样，非常依赖Multi Draw Instanced Indirect和bindless这两种API的实现。

对天刀手游来说，我们只能退而求其次，利用地形步骤算出来的HiZ的buffer做遮挡剔除，送入一套做遮挡剔除buffer的内容，通过CPU从readback的方案来获得这些buffer的遮挡剔除的结果，然后在CPU端组织尽量多的instance对象。

Q&A

1.性能优化有什么技术难点？听说你们能以更低的规格实现更高标准，是怎么做到的？

我们在实现的过程中，没有特别去顾虑高规格和所谓的低规格，一般是设定一个标准，然后在这之上找一些平衡。举个例子，前面提到的光照或者阴影表达，我们认为阴影的表达是弱于光照效果的，所以我们仍然采用了比较传统的lightmap来bake shadow的方式，在大世界里面并没有使用实时的阴影。

这其实更像一个平衡的问题，要基于你的游戏本身去承受的技术点，优先选择面，最终达成一个适合你游戏要求的技术方式。

2.像《天涯明月刀》这类从端游移植到手游的经典IP，从引擎技术角度如何更好地还原端游品质？

这个问题要从两方面回答。

一方面，明确我们需要去还原端游的哪些特点。这个对我们游戏的选择还是十分明显的：第一要更加注重远景的表现；第二要有更好的角色表现。

另一方面是基于以上这些，我们要从端游还原到手游上的一些画面技术点，我们会去制定关键的技术要素，例如我们延续了端游的PBR管线，但使用了比端游更好的基于物理光照单位的一个lighting方式，使得我们的手游在暗光的情况下表现非常好。

以上就是我今天的所有分享内容，谢谢各位。


整理：手游那点事
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