在2020虚幻引擎技术开放日中 ， 来自完美世界《幻塔》游戏开发工程师丁许朋 ， 为大家带来了《幻塔》游戏的开发技术分享 。
以下是演讲实录：
丁许朋：大家好 ， 丁许朋 ， 我现在完美世界幻塔工作室任客户端引擎工程师 。我今天结合我们游戏《幻塔》来给大家做一些技术分享 。我们游戏是基于虚幻引擎4的MMORPG类型的游戏 。
那么我们可以看出 ， 我们游戏主要有两个特点：一个是开放世界 ， 第二个就是高自由度 。
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那对于在移动平台做这种开放世界类的游戏 ， 我们会面临着很多的技术问题 。
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第一个技术问题就是大世界 ， 就我们的地图目前有2.5K×2.5K ， 当然了对于现在的游戏来说2.5Kx2.5K并不算大 ， 但是当你的地图达到一定程度的时候 ， 我们面临的技术问题其实是一样的 。
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当然Unreal本身对大地图提供了比较好的支持 ， 比如说Unreal提供了流式关卡 ， 流式关卡的意思就是我把大地图切成小的地图 ， 然后按需加载 。
在加载策略方面Unreal也提供了两种：
第1种：触发式的地图加载 ， 触发式的地图加载适合于 ， 比如说你这个世界并不太连续 ， 两个世界之间有明显的交界 ， 我这个时间我可以在交接处放一个触发盒子 ， 比如说我走到这个地方 ， 这个触发盒子的时候去加载另一块地图 。
第2种：世界合成器 ， 就是World Composition ， 它里边可以分Layer ， 就是在这Layer里边我可以放不同的Level ， 这样的话我可以根据Layer定义不同的加载策略 ， 这样的话会更灵活 。
这是Unreal做的比较好的地方 ， 当然Unreal也有做的不太好的地方 ， 比如说Unreal的地形系统 ， 那我们来看一下Unreal的地形系统 。
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在Unreal中 它的地形系统叫做Landscape ， 在右边这张图就是它的地形系统的创建界面 ， 比如说我们可以就是调一些参数就可以创建出来 ， 就在点击这里的Create 就可以创建出来一个地形 ， 或者说在这个标签里从外部导入一个高度图来生成地形 。
那么跟地形相关的第一个概念就是Quad ， 那Quad就是Unreal就是地形系统的基本单位 ， 它的大小呢跟Scale相关 ， 那么这个红框圈出的地方就是Scale 。
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我们看它的单位这里是显示的是100 ， 因为Unreal里边它的单位是厘米 ， 所以说这100是一米 ， 如果你不调这个参数的话 ， 它的一个Quad就是相当于是一米见方的一个块 。
第二个跟地形相关的概念就是Section ， 这Section它是Quad的容器 ， 也是地形LOD的基本单位 ， 比如说地形LOD它计算的规则是就是高阶的 ， 低阶LOD的扩展会减一半 。
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比如说第0级LOD是31×31 ， 那么第1级的LOD就是15×15个Quad ， 那目前我们可以看出来 ， 每个Section就可以有7×7、5×15、31×31 ， 一直到255×255 ， 一共这6种可选 。
那么第三个跟Landscape相关的概念是Component ， 那Component是Setting的容器 ， 它是UE4中地形绘制和地形裁剪的基本单位 ， 目前它也是只有两种配置：一个是1×1；一个是2×2 。
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就相当于是说一个Component只有1个Section ， 或者有4个Section 。
那么UE4这是个地形系统的优点 ， 它是地形是统一管理 ， 相当于是我一个Landscape的Actor就管理了所有的Landscape相关的Component 。那么它地形、地块之间的数据耦合度比较小 ， 它是以Component为单位就是执行LOD计算 ， 因为它Component是比较独立的 ， 所以说它的计算可以并行起来 ， 多线程来处理 。
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地形系统的缺点是什么？因为它一个Component一个Actor管理了所有的Component ， 那这个Actor初始化的时候 ， 所有的Component都已经初始化了 ， 这样会导致三个问题：
第1个问题：内存占用会比较大 ， 地形相关的内存占用会比较大 。
第2个问题：它会增加渲染线程的裁剪开销 ， 因为它这个Component在注册的时候 ， 它这个渲染代理就是SceneProxy都已经创建好了 ， 就相当于是渲染线程在做剔除的时候 ， 有可能你这个地形就是离玩家非常远 ， 它根本是不需要考虑 ， 但是说它现在也需要考虑要不要把它裁掉 。
第3个问题：当你视距比较大的时候 ， 地形相关的Draw Call会非常高 ， 增加了CPU的消耗 。
这里给大家举个例子 ， 比如说我这一个Component有4个section ， 那每个Section里面是63×63的Quad组成的 ， 当这个Component离玩家很远的时候 ， 它会退化成2×2的Quad ， 如果你这个Scale没有改 ， 你相当于是你还是1米×1米 ， 相当于是这一个Component只覆盖了2米×2米的大小 ， 这样会导致你这个视距里面有非常多的Component 。
在Unreal中一个Component会包含比如说刚才我们讲的它是2个4×4 ， 2×2 就是4个Section ， 如果这每个Section它的差别不太大 ， 它会把这个4个Section合并成1个Draw Call ， 就相当于是1个Component 。要么是有1个Draw Call ， 要么是有4个Draw Call ， 这样会导致你视距很大的时候 ， 你这个地形相关的Draw Call会非常高 。
那么针对这个问题 ， 我们目前有三种解决方案：
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第1种：我们可以调整地形的创建参数 ， 让地形生成的Component数尽可能的少 。比如说我可以把Quad调大 ， 然后可以把Section里边的Quad数量调多 ， 让它生成的Component的比较少 。当然 ， 这样会带来另一个问题 ， 就是你这个地形Cutting（切割）的力度会变粗 。
第2种：可以用虚拟纹理 ， 就是说地形制作上使用虚拟纹理 ， 虚幻引擎官方会在4.26版本的引擎上支持这个功能 。相当于是一个Draw Call ， 就可以把所有的地形画绘制完成 。但是虚拟纹理它本身也是有消耗的 ， 所以说它具体在Mobile（移动）平台表现怎么样 ， 还需要进一步的测试 。
第3种：对地形进行切割 ， 切割本身也分两种 。第一种 ， 用Houdini软件来进行切割 。第二种 ， 自己写了个工具来进行切割 。
刚才我们所讲到的是优化地形的Draw Call ， 对于地形的面数 ， 我们目前的做法是用了LODBias 。
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例如在绘制地形的时候 ， 这个地形是第零级 ， 但我们偏移一级来画 ， 即用第一级来画；那第一级地形 ， 就用第二级来画 ， 以此类推 。这样的话很好地控制地形的面数 。
我们看一下这张图：
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在这张图中我们可以看到我这个视距是非常远 ， 我们可以看到地图中的大部分的物件 。我们在优化之前 ， 我们那个地形的Draw Call有220多个 ， 优化之后我们地形的Draw Call现在只有37个 。
对于面数我们使用地形偏移 ， 我们目前地形偏移了一级 ， 偏移的话在这个视角下优化了大概15万面 ， 这个优化其实是相当可观的 。
那么在进入第二个主题之前 ， 我们来看一下就是移动平台的渲染管线 。
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移动平台由于硬件会有两个限制 ， 一个是顶点数受限 ， 一个是Draw Call受限 。
我们看一下这是移动平台的渲染管线 ， 其实它这里边会有一个Tiling的过程 ， Tiling过程就相当于它VS先走一遍 ， 然后决定这个三角形在哪个Tile里边 ， 个时间它会把它临时数据放到这个主存中 ， 如果你的顶点太多 ， 它这边就会形成一个热点 。
第二个Draw Call受限 ， Draw Call提交的时候 ， CPU要准备大量的数据 ， 而且提交Draw Call的时候会把这个Shader生成 ， 编译成对应平台的编码 。
所以说 ， 我们在移动平台主要是这两个限制 ， 我们在做开放世界游戏时 ， 面对超大视距在角色这个位置的时候 ， 我们能够看到的地图非常远 。
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这样会导致两个问题：
第1个：要画的东西非常多
第2个：顶点数也会非常多
而由于移动平台这两块都是受限的 ， 相当于虽然你看到了这么多东西 ， 但是硬件其实是绘制不完的 。
这就需要裁剪策略 ， 提前把对视觉不重要的裁掉 ， Unreal也提供了好几种裁剪方案：
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第一种：距离剔除 ， 即Distance Culling 。根据你摄像机的远近 ， 来把它剔除掉 。在每个X轴上设置一个剔除距离 ， 对玩家交互不强的且视觉不重要的 ， 就剔除掉 。
第二种：视锥剔除 ， 即Frustum Culling 。把不在摄像机视野范围之内的剔除掉 。
第三种：预计算可见性 ， 即Precomputed Visibility 。先预先离线计算好 ， 走到这个位置的时候 ， 查询这个计算好的表 ， 哪些东西是可见的 ， 哪些是不可见的 。预计算可见性只适合静态场景 ， 主要的应用场景是室内 。
第四种：动态遮挡查询 ， 即Dynamic Occlusion 。针对于动态遮挡查询Unreal提供了三种方案 。
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第1种：基于硬件的遮挡查询 ， 即Hardware Occlusion Queries 。被查询物会根据它的包围盒提交一个Draw Call ， 来硬件做Depth Buffer ， 查一下它有没有被遮挡住 。这种方案它的缺点就是Draw Call会比较高 。
第2种：HIZ的遮挡查询 ， 即Hierarchical Z-Buffer Occlusion 。这种方法不需要提交Draw Call ， 它首先把Depth Buffer做mip ， 之后根据这个被查询物的这个包围盒再映射到屏幕空间 ， 计算物体最长的边 ， 根据最长的边来算一个它在哪个mip里做 ， 然后在那个mip里做遮挡查询 。
这两种都是基于硬件的方法 ， 如果这个裁剪是CPU在做的话 ， 它需要回读到CPU ， 回读的话会延迟一帧或者几帧 ， 这样就导致了一个问题 ， 因为延迟了所以裁剪是不准的 。Unreal还提供了一种基于软件的遮挡查询 。
第3种：软件遮挡查询 ， 即Software Occlusion Queries 。被查询物先用CPU进行软光栅化 ， 作为软光栅化来生成这个Depth Buffer ， 然后再来做遮挡查询 ， 这样的好处就是它不需要回读了 。它全是用CPU来计算的 ， 它具体性能表现怎么样 ， 还需要一定的测试 。
那么对于开放世界的游戏 ， 另一个不得不提的主题就是植被系统了 。如果你这个开放世界很大 ， 但是植被很少的话 ， 那你这个世界的细节不丰富 。以前的植被系统都是实例化绘制的 ， 就是Instance Static Mesh即ISM 。
ISM的裁剪是它的主要问题 ， 比如1000个物体 ， 人物视野只看到了1个 ， 但是这1000个物体都是要提交的 。
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所以说Unreal针对这个问题做了个Hierarchical的Instanced Static Mesh即HISM 。它的实现是就是根据树形结构来做了Cluster来分组 ， 可以把裁剪粒度更精细 ， 还可以做Cluster LOD ， 同时我还实现了距离剔除 。
这些都是针对CPU的粗粒度剔除 ， 对于GPU优化方面 ， Unreal提供了Early Z Pass 。植被系统中树、草都是Mask材质 ， Mask Material需要做Alpha test ， 所以Unreal目前的做法是把Mask材质先在Early Z Pass中深度画一遍 ， 利用这段时间已经完成了Alpha test ， 在Early Z Pass把Mask材质的Pixel过滤掉 ， 这样就优化了Mask材质 。
其他减少Draw Call的方法：
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第1个：动态批次合并 ， 即Dynamic Instancing ， 这是4.2版本加入的功能 ， 对于我们这个游戏来说 ， 开启了态批次合并之后 ， 优化了150个Draw Call左右 。
第2个：Hierarchical LOD ， 即HLOD 。例如一个大的关卡 ， 可以生成一个代理 ， 一个Draw Call把它画出来 。HLOD也有他的问题 ， 它会导致你的包体跟内存变大 。
对于开放世界游戏 ， 还有一个问题就是阴影 ， 我们看到的东西很多 ， 如果阴影绘制的距离很近 ， 这样就导致了场景很平 ， 没有层次感 。Unreal在PC平台上提供了很多应用方案 。
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第1种：联级阴影 ， 即Cascade shadow map 。
第2种：距离场阴影 ， 即Distance field shadow 。
Unreal官方建议 ， 在近处用联级阴影 ， 在远处用距离场阴影 。
第3种：胶囊体阴影 ， 即Capsule shadow 。利用物理资产Physical Asset来生成阴影 ， 这种实现有一个好处就是它支持间接光照 。例如一个场景里全是烘焙的这种Lighting ， 联级阴影是生成不了这种阴影的 ， 但是胶囊体阴影可以对这种间接光也产生阴影 ， 但是你要做的非常细的话 ， 你需要很多胶囊体 ， 这是它的一个缺点 。
目前在移动平台上 ， UE4的阴影方案主要是两种：
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第1种：调制阴影 ， 即Module Shadow 。
第2种：级联阴影 ， 即Cascade shadow map
先来看调制阴影 ， 先看这张图：
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调制阴影它其实它主要是跟场景做了简单的乘积 ， 它跟其他阴影混合的时候 ， 是明显的叠加效果 ， 所以说这种基本满足不了现在游戏的品质要求 。所以UE4在移动平台上只能选择级联阴影 。级联阴影最初是为了解决阴影贴图的精度不够而导致的透视堆叠 。
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根据这个图说明 ， 把视锥分为三级 ， 再根据太阳方向 ， 把小视锥包围住 ， 生成一个正交投影的矩阵 ， 然后每一个级生成一个ShadowMap ， 这样也更符合人类的这个视觉特点 。
在UE4里级联阴影的设置界面
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设置界面包括了设置级数的、每一级结束了怎么切换等等 。
对于级联阴影 ， 它主要的问题是什么？
主要的问题是因为 ， 级联阴影每一级都是一个视锥 ， 它需要单独做跟场景做裁剪 ， 就是CPU内的裁剪消耗比较高；另一个是它级数很多 ， 需要绘制的阴影的物件会很多 ， 导致你的场景的Draw Call会比较高 。
在移动平台上 ， 由于带宽受限 ， 阴影贴图做成1024这种分辨率是一个比较合适的选择 ， 这样就需要更多的级数去提高它的精度 ， 但是由于之前讲的几点限制 ， 所以在移动平台做不了这么多级数 。
针对级联阴影的问题 ， 我们现在的做法是用4级 ， 前2级是全动态 ， 后面2级是只画静态物体 ， 前2级做分帧刷新 ， 即不是每帧都提交 ， 后面2级做低频刷新 ， 即隔几帧才刷新一次 。
通过这样修改CSM ， 可以做到400M距离的阴影效果 。
我们游戏的第二个特点就是高自由度 ， 在以前的游戏中 ， 人物与场景交互是很少的 ， 当然随着Unreal对物理引擎就是良好的封装 ， 为我们创建这种更高自由度的交互就是提供了可能 。
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我们游戏中做了踩不同的地形和不同的物件 ， 会有不同的声音反馈 ， 这样更真实 。还有不同的砍树 ， 踩水等交互 ， 另外场景中大部分物体都是可以被推走或者破坏掉的 。
那么这种根据不同的交互产生不同声音是怎么做的呢？
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我们地形分了4层 ， 在草这一层 ， 通过匹配对应的物理材质的声音来实现 。
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例如砍树 ， 我们是全物理模拟的 ， 而并不是简单的播一个动画 。
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例如砍草 ， 整个世界大部分草是可以砍掉的 ， 而且别的玩家是可以看到的 ， 而不是简简单单的一个客户端表现 。
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这是踩水 ， 角色走在水里边会产生这种涟漪效果 。
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游戏中大部分物件是可以被破坏掉 ， 或者挪走等等 。
为了制作出高自由度的游戏 ， 也因为UE4的Movement的组件本身提供了非常多的Movement mode ， 所以在飞行、游泳等之上 ， 设计扩展出了攀爬滑板等模式 。
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攀爬
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游泳
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滑板
【角色扮演|完美世界丁许朋：UE4开放世界ARPG《幻塔》技术分享】我们游戏立项的时候 ， 拿到的是虚幻4引擎4.20版本 ， 目前我们升到了4.25 ， 那随着版本的迭代UE4 ， 对移动平台的支持越来越好 ， 比如说它添加了动态批次合并、骨骼实例化等等一些新功能 。我们相信随着UE4对移动平台支持越来越好 ， 以后会涌现出越来越多的基于UE4的精品游戏 ， 谢谢大家 。
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