流式加载，实现赛车从静止到200英里/时的高速移动

小篱

文/刘源

Turn 10是微软游戏的一个内部工作室，专注于赛车游戏。在 Froza III 中，一条赛道可以长达13英里。开发者希望有良好的加载性能，赛车从静止到200英里/时的高速移动都保持一致的高画质，没有物件突变，同时保持60fps。

本讲座首先介绍了游戏的5层存储层级，阐述资源如何从dvd达到处理器，如何优化Disk IO与CPU缓存。接下来，解释离线计算的遮挡剔除算法，以及其流式加载的工作集管理。

video https://www.gdcvault.com/play/1012335/Streaming-Massive-Environments-from-0

ppt https://www.gdcvault.com/play/1012656/Streaming-Massive-Environments-from-0

Turn 10的全职开发者约70人，会随着开发周期人员增加（主要是美术）。

Forza III 是一个xbox360游戏，赛道数据量极大，无法全部装入xbox360的512m内存。游戏的哲学是，动态加载越多越好，“除了加载本身，其他都是动态加载的”（按：实际上还是做了个别权衡，见后文）。

游戏中典型的赛道Le Mans有约6000模型和3000贴图，赛车奔驰7分钟行驶1.6圈，总加载量为0.98G，远超赛道的总数据量。具体来说为：

• 0.14G Mesh
• 0.84G Texture
  

Steaming的存储层次结构

上图是加载的层次结构，数据从发布介质——硬盘或者光盘，逐级向上达到处理器。我们逐层解释细节。

1.Disk

首先，赛道以zip格式压缩，使用微软自有的 lzx 算法。xbox的专用lzx库提供 20M/s 解压速度，是开发者找到的最快算法。单赛道压缩后90~300MB，压缩率50%。

2.Compressed Cache, 56M

xbox360使用的双层dvd 有 10M/s 的平均读取速度，但是单次 seek 可耗时100ms。

所以这里使用一个缓存，隐藏 IO。每次从zip中连续读出一个固定大小数据块，可包含上百个文件，不解压。

• 数据块 1/4M~ 1M（默认）
• 由赛道配置，仅在性能不佳时微调
• 读取触发，LRU换出
  

在访谈最后的磁盘文件排序部分，我们将看到文件如何尽量聚集。

3.Decompressed Heap，194M

这一步从缓存解压到内存。解压后资源内存地址连续、对齐，可以直接由CPU、GPU使用。

内存碎片

内存碎片是长期运行堆的一个常见问题。

• 堆分配算法为地址排序的First-Fit，这是一种公认的碎片极少的算法。
• 资源按zone加载，每批置换2~20M不等。zone切换时，为减少碎片，要注意先一次性卸载所有待删除资源，再进行加载。
• LOD管理
  

和一般游戏不同，物体的各LOD拆散存储，可以只加载所需的LOD

mip分了三档。 后面的工作集管理会提到具体用法。

• 高：Mip0
• 中：Mip1~1*1
• 低：32*32~1*1
• xbox硬件允许mip链引使用多块不同内存，所以可以免费分开加载。
  

注意这里的内存预算。层次2加上层次3共250M，为xbox360总内存的1/2。56 : 194 这个比例是长期试验后微调出来的。

4.GPU/CPUCache

主机游戏编程中，很多项目都会关注处理器缓存命中率。密集计算，需要使用缓存友好的算法。
以游戏的视椎体裁剪为例：每个项根据cache大小设计，数据组织为线性，线性遍历，所以缓存命中率非常高。
另外，游戏大量使用了Command Buffer，包括所有的道路、很多渲染子系统。这样只需要提交渲染数据，计算过程全部在GPU上。（按：这个为啥在cache这一节）

5.GPU/CPU

减少不必要的贴图和顶点的传输。（按：细节信息量少，不录了）

预计算遮挡剔除

作者认为，实时的遮挡剔除算法不够好。他们往往使用近似的保守算法，返回偏多的待渲染物体；同时，需要简化的几何数据，带来巨大的数据量压力。所以本作遮挡剔除是离线预计算的。

• 直接返回LOD
• 基于贡献的剔除（Contribution Rejection），可见像素过少也被剔除
  

基于贡献度的剔除
遮挡剔除分为下面几个步骤：

1.采样，得到zone的可见表

• 美术用spline标记路的内外边界，构成线性路线
• 等分成zone，等间隔采样，如图
  

计算可见性：每个采样点，按赛道当前朝向（例如上坡），先以90°视角渲染4张深度图，然后重新渲染一遍，统计各物体像素数。

随后，可见性向外扩散1格，以便消除临近点的跳变。（按：个人感觉，本步扩散无意义）
累加得到：

• 每个zone
  

可见物体表、各物体的最大像素数
模型、贴图表

• 全赛道的模型、贴图表
  

注意这里过大的模型，会自动切分为小模型，增加剔除概率。


2. 计算工作集

前面提到了贴图的mip分为高、中、低三档视图，高为mip0，中为mip1~1*1，低为32*32~1*1。赛道所有低档（32*32以下）mip常驻内存，总在工作集中，20~60M不等。这是一个权衡，优点是任何模型加载好就可以立即显示。

然后我们计算单个zone的工作集。相邻3个zone可见物体合并，这就是理论上需要加载的物体。下一步通过丢弃贴图的方式，得到合适的工作集。由于贴图数据大概占85%，有很多丢弃空间。算法：

• 可见像素小于32*32的话，丢弃最高和中间级贴图。
• 内存限制：按可见像素数从小到大，依次丢弃最高级贴图、中间级贴图，直到工作集可以在Decompressed Heap（194M）中放下。
• 带宽限制：按最高移动速度计算出 zone n-1 到本zone的时间，乘估计的加载带宽，算出最大加载量。继续丢弃贴图，直到两工作集之加载差小于带宽限制。
  

最终，zone实际工作集差 2~20M，其中贴图占大概 85%。直路工作集变化很小，最大的变化会发生在转弯处。

3.磁盘文件排序

为了提高磁盘加载的缓存（56M）命中率，需要让数据尽量集中。所以整个地图的模型和贴图，按看见的顺序排序。效果会是：

• 植被集中在头部
• 地形块延zone线性分散
  

（按：所以同一赛道，同一资源只有一份；不同赛道之间，资源会有重复）

性能手工微调

最后，测试中仍然会有出现跳变。跳变主要为下面两种情况，但是他们相互冲突：

• 带宽不足，加载晚了 —— 需要减少加载量
• 没加载可见物 —— 需要增加加载量
  

主要解决方案：

• 提供工具，人工对模型和贴图做加减权（bias）
• 如果无效的话，美术需要减少场景复杂度
  

演示效果和其他

整个流式加载演示过程见54：05。从视频来看：

• 实际上实现了基于zone的、考虑了遮挡的流式加载。
• 遮挡剔除完全是依赛道的赛车视角，相当狠。由于赛车很低，所以中距离的个别低矮的田地都会被遮挡不加载。如果镜头抬高，可能这算法不太够用。
• 其他我觉得有用的细节
• 自动修正美术的资源冗余
• 贴图像素比较去重：有的美术就是会复制贴图
• 逐级比较mip差异，自动缩小贴图：优化各种纯色和渐变贴图
• 由于用了Instancing，所以认为合并 mesh 的价值不大
• 资源导出时，会预检查model的结构，拆出公用子模型，保证Command Buffer的draw尽量少。(说得不是太清楚)
• GPU Instancing的时候附带一个自定数值（颜色；风力之类），让美术用同样的资源产生多样性
  

来源：GDC2010
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