谈谈VR游戏中的性能优化

VR游戏与传统游戏相比，主要在玩法设计、输入方式和性能压力这三个方面存在差异。本文将着重探讨VR游戏中的性能优化问题。

为什么VR游戏的性能压力很大？

VR游戏性能压力大主要受三个因素影响，影响权重由高到低依次为高帧率、高分辨率和画两遍。

高帧率

不同设备的帧率要求不同，如DK2为75Hz，最新的CV1和HTC Vive为90Hz，PS4 VR为120Hz。与之对比，PC游戏通常为60Hz，主机游戏为30Hz，由此可见VR游戏在帧率方面的压力巨大。鉴于帧率如此之高，每一帧即便有2ms的提升也意义重大。以75Hz为例，每帧时间为13.33ms，2ms的占比高达15%。

高分辨率

不同设备的分辨率也有所不同，DK2为1920 1080，最新的CV1和HTC Vive为2160 1200，PS4 VR为1920 1080。除了账面分辨率，实际渲染时为抵消透镜畸变带来的分辨率损失，需要进行超采样。具体而言，DK2为135%，CV1和HTC Vive都为140%。以DK2的数据1920 1080 @75Hz为例，每秒的像素处理量为283 millions，是一般主机游戏的4倍。而最新硬件的这一数据更是提升至457 millions。

画两遍

VR游戏需要为左右眼分别绘制画面，主要有以下两种绘制方法：

• 方法一：依次画两遍场景：SetTexture、SetTransforms、SetViewport、切换RenderState、DrawCall等操作均需翻倍。
• 方法二：依次画两遍物体：相较于方法一有所节省，但DrawCall依旧翻倍。

关于像素处理部分

从上述数据可以看出，VR游戏的性能压力主要集中在像素处理方面，因此与像素处理相关的部分需要特别关注：

• 光影计算方案的选择：采用空间换时间的策略尤为重要，应尽量使用light map、静态AO、环境反射贴图等方案，而dynamic shadow在任何时候都应尽量节省使用。
• 后期处理：移除不必要的效果，如DOF、Motion Blur、Lens Flare等效果本就不适合VR游戏；对于SSR、SSAO等效果，尽量使用前面提到的静态方案来替代；由于已经有Super Sampling，AA也可以不用。
• 注意OverDraw的问题：典型的如范围巨大的透明面片特效应谨慎使用，避免过多叠加。
• Shader复杂度问题：在UE4的viewmode中，有一个专门用于查看shader复杂度的模式。一般来说，当出现粉色和白色时，说明shader过于复杂，需要进行修正。
• early z culling：虽然延迟渲染已成为各大引擎的标配，很多人认为对于延迟渲染来说，early z culling没有必要，因为生成GBuffer之后相当于已经进行了像素级别的culling，而且多一个pass提前写深度往往得不偿失。但实际上，early z culling针对延迟渲染的受益部分主要在GBuffer的生成阶段。在传统游戏中，这部分相对于lighting计算阶段的开销不大，因此往往被忽略。但在VR游戏中，由于像素处理量巨大，这部分的优化提升效果相当明显。当然，实际情况需要根据游戏场景进行详尽测试。

关于画两遍

由于批次翻倍加上面数翻倍，因此在VR游戏中，优化批次和面数比传统游戏更为重要。

• 静态场景的批次优化：针对UE4，我们可以开发专门的扩展工具来合并场景中相同物体的批次，而无需美术人员对已完成的场景进行返工。
• 动态批次优化：可以采用instance的思想合并数量众多但体积较小的物体，如FPS游戏中的子弹。
• 面数优化：在UE4中，面数的消耗主要体现在生成GBuffer的Base pass阶段，因此需要善用统计工具对游戏场景进行定时定性分析。此外，除了美术提供的静态场景和角色，还需要关注自动生成的内容，如tessellation。例如，UE4中Ribbon特效的tessellation默认步长为15uu，而在某些游戏中，Ribbon特效可达30000uu，如果不改变默认值，一条拖尾可生成4000面，同屏50条拖尾就可能导致绝大部分GPU性能下降。因此，在特定游戏中，应善用不同工具从多种角度分析问题。

其他优化方法

前面介绍的优化方法是针对VR游戏的特点重点强调的，其他优化方法同样适用，总结如下：

• 对表现效果妥协：例如，很多手机平台的游戏角色可能没有normal，同时可以降低贴图精度和模型精度。
• 对制作流程和制作效率妥协：例如，在开发无尽之剑XboxOne版时，UI直接调用d3d API进行绘制。
• 对开发效率妥协：注意shader中的数据类型和顶点的数据格式，能用16位浮点就不要用32位浮点。
• 根据游戏类型具体分析：如果确定场景中物件都必须渲染，则可以关闭Ocullusion Culling，因为在这种情况下不需要预计算遮挡剔除关系。
• 注意CPU、GPU的同步点和线程之间的同步点：这些同步点多发生在竞争统一资源时，如主线程和第三方库的线程使用同一个内存分配器。
• 善用第三方库：例如，如果小内存分配频繁且自己懒得编写内存库，可以使用tcmalloc、nedmalloc等第三方库。
• 多用LOD：不仅包括贴图mipmap、模型LOD等，还包括逻辑层面的LOD，如特效分层LOD。
• 设置不同的更新频率：为不同的Actor、Component和系统设置不同的更新频率。
• 使用多线程和SIMD加速：提高游戏性能。
• 避免使用基于win32 API的高级函数：例如memeset，因为它是单字节填充，可用汇编进行优化，以提高效率（成熟引擎通常已经进行了优化）。

其他方案

除了上述方法，业界还有一些全新的优化方案：

• 多/双显卡渲染：DX12支持显卡混搭，可以将render task绑定到任意GPU上；Nvidia的SLI和ATI的CrossFire可用于非DX12的情况，其原理是一块显卡渲染左眼，另一块显卡渲染右眼，要求两块显卡型号一致，实测效果较好。
• StencilMesh的思想：同样是一种culling方法，在UE4中的实现叫做HMD Distortion Mask，可节省周围四角区域的像素计算。
• Instanced stereo Rendering：核心思想是一次提交绘制双份几何体，draw call不需要翻倍。UE4的4.11 preview版本已经推出了第一个版本的实现。
• Multi-Resolution：由于人眼对中心区域像素更敏感，因此可以保持中心区域分辨率并降低边缘区域分辨率，在降低整体分辨率的同时尽可能减少对效果的影响。这种方法可以节省25% - 50%的像素处理量。

补充和总结

在进行VR游戏性能优化之前，有两点需要特别强调：

• 稳定测试环境：关闭PC上其他3D程序，关闭垂直同步，确保每次采样点以及采样上下文完全一致，不要以编辑器模式启动游戏。
• 量化观测数据：在完全稳定的测试环境下，同一游戏前后两次测试的性能观测数据可能会有轻微浮动，因此不能仅凭直觉判断，而应捕获精确的数据进行分析。

此外，优化是一个长期迭代的过程，需要做好记录。在与美术人员产生分歧时，应尽量用数据说话。

来源：腾讯网