游戏开发丨游戏中的遮挡剔除/Occlusion Culling

游戏中的剔除分为很多个级别，比如背面剔除、视锥剔除、遮挡剔除，EarlyZ，Z-Cull等等。

在这里面，遮挡剔除是最难以实现的，也是变化最丰富的，这里就来小结下游戏中常用来实现遮挡剔除的方式。

基于CPU的方式：

1.基于软光栅/Software Occlusion

这种方式需要手动标记好大型的用来遮挡的物体，在运行时，将遮挡物的包围盒（或最高LOD级别的模型）软光栅到CPU内存中的z-buffer上，然后根据z-buffer中的深度信息，根据需要剔除物体的包围盒，实时计算遮挡信息。

这种方式缺点是对CPU端压力很大，优点是非常灵活。

相对前面两种方案，软光栅剔除提供了非常大的灵活性，支持完全可变/任意大小的场景，适用于流式关卡/大世界中的应用。

相对GPU实现的遮挡剔除，这种方案完全不用担心硬件兼容问题。

2.Portal-Culling

这种方式也是将场景划分成Cell，不同的是，烘焙时保存的是每两个相邻Cell之间的连通性。

这样，在运行时，根据摄影机所在的位置的Cell和观察方向，就可以根据Cell间的连通性信息，快速计算出目标物体是否处于可见范围内。

相对上面完全的预计算，这种方式的优点就是可以剔除动态物体，同时提供了些许的静态遮挡物体变化的灵活性。比如有扇可以开关的门，当门被打开后，就可以将门两侧的Cell的连通打开。

3.预计算可见性/Precomputed Visibility

这种方式比较简单，就是先将场景划分成一个个Cell，让后对于每个Cell区域，预计算出摄影机在这个Cell范围内时，所有可能看到的物体，并将信息保存下来，这样在运行时就可以直接查表来得到所有静态物体的可见信息，运行时开销几乎为0。

基于GPU实现的剔除方案：

4. 遮挡查询/Occlusion Query

Occlusion Query首先使用一个简单的depth-only的pass将深度写入到z-buffer中，然后使用物体的包围盒传入到GPU进行遮挡测试，如果测试发现所有像素都被遮挡，说明这个物体是被遮挡的物体，否则的话认为是可见的。

OpenGL中的查询方式为Query Object - OpenGL Wiki。

DirectX中的查询方式为docs.microsoft.com/en-u。

由于从GPU回读数据到CPU通常很慢，因此通常会将得到的数据放在下一帧中作为剔除数据来使用，这样遮挡剔除其实是延迟一帧生效的，一般这种延迟影响不大。

UE4中默认也是采用这种方式做剔除Visibility and Occlusion Culling/index.html。

5.GPU-Driven的剔除

既然将GPU中的测试结果回传到CPU中需要很长的时间，那么为什么不直接将测试的结果保存在GPU中，然后直接根据剔除结果来选择是否绘制物体呢？

GPU-Dirven就是通过这样的思路来实现Indirect Draw。严格来说，GPU-Driven不是一种剔除算法，而是一种设计思路，其中的剔除部分仍然需要使用其他的算法来实现。

大致的流程为：

1.创建Indirect指令队列，将所有待渲染物体的渲染指令录入；

2.对渲染物体进行遮挡剔除，将剔除结果写入到buffer中；

3.根据buffer中的剔除结果，GPU会选择性执行录入的Indirect渲染指令，达到剔除的效果。

6.基于HZB剔除

HZB即Hierarchical z-buffer，HZB是多Mip层级的z-buffer，每个更高级别Mip的buffer记录上一级别中周围四点中最远处的深度值。

将HZB生成后，就可以将待剔除物体的包围盒信息传入到Computer Shader中进行计算，计算时会选择最适合的Mip级别进行遮挡测试。在屏幕中占比更大的物体会选择更高级别Mip的深度进行测试，这样可以降低计算量。

计算结果会存储到贴图或者buffer中，然后从GPU回传到CPU。这种方式和上面提到的方式一样，会有计算结果的延迟。

UE4中可通过r.HZBOcclusion=1切换到这种剔除方式。

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