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发布时间:
2025-03-23 09:02
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# Unity剔除优化原理 本文将深入探讨Unity的剔除优化系统原理。通过本文,你将了解Unity中各种剔除技术的工作机制、性能特点和最佳实践,以及如何利用这些技术来优化游戏渲染性能。 ## 基础概念 ### 什么是剔除 剔除(Culling)是一种渲染优化技术,它可以: 1. 减少渲染对象 2. 降低渲染开销 3. 提高渲染效率 4. 优化内存使用 ### 剔除类型 ```csharp // 剔除系统示例 public class CullingSystem : MonoBehaviour { private void Update() { // 1. 视锥体剔除 if (!GeometryUtility.TestPlanesAABB( GeometryUtility.CalculateFrustumPlanes(Camera.main), renderer.bounds)) return; // 2. 遮挡剔除 if (Physics.Raycast( Camera.main.transform.position, transform.position - Camera.main.transform.position, out RaycastHit hit)) { if (hit.collider.gameObject != gameObject) return; } // 3. 距离剔除 float distance = Vector3.Distance( Camera.main.transform.position, transform.position); if (distance > cullingDistance) return; // 渲染对象 renderer.enabled = true; } } ``` 主要类型: 1. 视锥体剔除 - 剔除视野外对象 - 基于包围盒 - 快速高效 2. 遮挡剔除 - 剔除被遮挡对象 - 基于深度测试 - 减少过度绘制 3. 距离剔除 - 剔除远距离对象 - 基于LOD系统 - 优化渲染负载 ## 视锥体剔除 ### 工作原理 ```csharp // 视锥体剔除实现 public class FrustumCulling { private struct Plane { public Vector3 normal; public float distance; public float GetDistanceToPoint(Vector3 point) { return Vector3.Dot(normal, point) + distance; } } private class Frustum { private Plane[] planes = new Plane[6]; // 近、远、左、右、上、下 public void CalculatePlanes(Camera camera) { Matrix4x4 matrix = camera.projectionMatrix * camera.worldToCameraMatrix; // 提取视锥体平面 planes[0] = ExtractPlane(matrix, 0); // 左 planes[1] = ExtractPlane(matrix, 1); // 右 planes[2] = ExtractPlane(matrix, 2); // 下 planes[3] = ExtractPlane(matrix, 3); // 上 planes[4] = ExtractPlane(matrix, 4); // 近 planes[5] = ExtractPlane(matrix, 5); // 远 } private Plane ExtractPlane(Matrix4x4 matrix, int row) { Plane plane; plane.normal.x = matrix[row, 0]; plane.normal.y = matrix[row, 1]; plane.normal.z = matrix[row, 2]; plane.distance = matrix[row, 3]; return plane; } public bool TestSphere(Vector3 center, float radius) { foreach (var plane in planes) { if (plane.GetDistanceToPoint(center) < -radius) return false; } return true; } } } ``` 关键步骤: 1. 视锥体构建 - 提取平面方程 - 计算法线方向 - 优化平面表示 2. 相交测试 - 包围盒测试 - 球体测试 - 快速剔除 3. 空间优化 - 八叉树 - BSP树 - 场景划分 ### 性能优化 ```csharp // 视锥体剔除优化 public class FrustumCullingOptimization { private class OctreeNode { public Bounds bounds; public List<Renderer> objects; public OctreeNode[] children; public void Subdivide() { children = new OctreeNode[8]; Vector3 size = bounds.size * 0.5f; Vector3 center = bounds.center; // 创建子节点 for (int i = 0; i < 8; i++) { Vector3 offset = new Vector3( ((i & 1) != 0 ? size.x : -size.x), ((i & 2) != 0 ? size.y : -size.y), ((i & 4) != 0 ? size.z : -size.z)); children[i] = new OctreeNode { bounds = new Bounds( center + offset * 0.5f, size) }; } // 分配对象到子节点 foreach (var obj in objects) { for (int i = 0; i < 8; i++) { if (children[i].bounds.Intersects(obj.bounds)) { children[i].objects.Add(obj); } } } } public void Cull(Plane[] planes, List<Renderer> visible) { // 检查节点是否在视锥体内 if (!GeometryUtility.TestPlanesAABB(planes, bounds)) return; // 如果是叶子节点,添加可见对象 if (children == null) { visible.AddRange(objects); return; } // 递归处理子节点 for (int i = 0; i < 8; i++) { if (children[i].objects.Count > 0) children[i].Cull(planes, visible); } } } } ``` 优化策略: 1. 空间划分 - 八叉树 - 四叉树 - 网格划分 2. 层次剔除 - 自顶向下 - 包围体测试 - 早期剔除 3. SIMD优化 - 向量运算 - 批量测试 - 并行处理 ## 遮挡剔除 ### 工作原理 ```csharp // 遮挡剔除实现 public class OcclusionCulling { private struct OccluderData { public Mesh mesh; public Matrix4x4 transform; public float importance; } private class OcclusionSystem { private List<OccluderData> occluders; private RenderTexture depthBuffer; public void Initialize(Camera camera) { // 创建深度缓冲 depthBuffer = new RenderTexture( camera.pixelWidth / 4, camera.pixelHeight / 4, 24, RenderTextureFormat.Depth); // 初始化遮挡器列表 occluders = new List<OccluderData>(); } public void UpdateOccluders(Camera camera) { // 渲染遮挡器到深度缓冲 Graphics.SetRenderTarget(depthBuffer); GL.Clear(true, true, Color.black); foreach (var occluder in occluders) { Graphics.DrawMesh( occluder.mesh, occluder.transform, occluderMaterial, 0); } // 使用深度缓冲进行遮挡测试 Shader.SetGlobalTexture("_OcclusionDepth", depthBuffer); } public bool IsVisible(Bounds bounds, Camera camera) { // 转换包围盒到屏幕空间 Vector3[] corners = GetBoundsCorners(bounds); foreach (var corner in corners) { Vector4 clipPos = camera.projectionMatrix * camera.worldToCameraMatrix * new Vector4(corner.x, corner.y, corner.z, 1); // 深度比较 if (clipPos.z/clipPos.w < GetStoredDepth(clipPos)) return true; } return false; } } } ``` 实现细节: 1. 深度缓冲 - 降采样优化 - 分层渲染 - 深度压缩 2. 遮挡测试 - 包围盒测试 - 分层测试 - 保守测试 3. 性能优化 - 异步更新 - 时间分布 - 缓存结果 ### 优化策略 ```csharp // 遮挡剔除优化 public class OcclusionOptimization { private class HierarchicalDepthBuffer { private RenderTexture[] depthLevels; private int levelCount; public void Initialize(int width, int height) { // 创建分层深度缓冲 levelCount = Mathf.CeilToInt(Mathf.Log(Mathf.Max(width, height), 2)); depthLevels = new RenderTexture[levelCount]; for (int i = 0; i < levelCount; i++) { depthLevels[i] = new RenderTexture( width >> i, height >> i, 24, RenderTextureFormat.RFloat); } } public void UpdateHierarchy() { // 从细到粗更新深度层级 for (int i = 1; i < levelCount; i++) { Graphics.Blit( depthLevels[i-1], depthLevels[i], downsampleMaterial); } } public bool TestVisibility( Bounds bounds, Camera camera, int level) { // 使用适当层级进行测试 Vector2 screenSize = new Vector2( depthLevels[level].width, depthLevels[level].height); Rect screenRect = GetScreenRect(bounds, camera); Vector2 pixelRect = screenRect.size * screenSize; // 如果包围盒太小,使用更细的层级 if (pixelRect.x < 2 || pixelRect.y < 2) return TestVisibility(bounds, camera, level - 1); // 执行遮挡测试 return !IsFullyOccluded( screenRect, depthLevels[level]); } } } ``` 优化方向: 1. 分层处理 - 多级深度图 - 自适应采样 - 渐进更新 2. 时间分布 - 异步更新 - 帧间分布 - 优先级排序 3. 硬件加速 - GPU查询 - 硬件遮挡 - 异步读回