渲染性能优化之几种LOD层次细节总结

CIM（城市信息模型）这种大场景或者说特大场景LOD是非常重要的，城市、BIM、地形都非常系需要，根据公司的项目需求这里做了一下总结各种LOD的技术、算法、策略。

首先，我们公司对于城市这种大场景我们提出使用如下技术：

1. 组织、符合3Dtiles 这种规范，城市要按照tiles加载切换（类似于地图一样）
2. 使用LOD（包括减面、平滑处理的一套）
3. 纹理的压缩，使用硬解为DDS类型

LOD也称为层次细节模型，是一种实时三维计算机图形技术，最先由Clark于1976年提出，其工作原理是：
视点离物体近时，能观察到的模型细节丰富；视点远离模型时，观察到的细节逐渐模糊。系统绘图程序根据一定的判断条件，选择相应的细节进行显示，从而避免了因绘制那些意义相对不大的细节而造成的时间浪费，同时有效地协调了画面连续性与模型分辨率的关系。

OSG实现LOD

使用osg来讲解实现LOD基于OSG讲解一下LOD

LOD细节层次（Level of Detail,LOD）

的基本思想是当物体对渲染出图像贡献越少，使用越简单的形式来表达该物体。这是一个已经在各种游戏中广泛使用的基本优化技术。一般情况下，完整的LOD算法包含3个主要部分：

生成Generation（手动生成可以也可以减面生成）
选择Selection
切换Switching（切换不同精度的模型）

从一个细节层次转换到另一个细节层次，而这个过程便称为LOD切换。

LOD的切换 | LODSwitching

当从一个LOD切换到另一个LOD的时候，忽然的模型替换往往会引起观察者的注意。这种现象被称为突越（Poping）。这里有几种不同的LOD切换方法，有着不同的特性：离散几何LOD | Discrete Geometry LODs混合LOD | Blend LODs透明LOD | Alpha LODs连续LOD和几何形变LOD | CLODs and Geomorph LODs

离散几何LOD | Discrete Geometry LODs

离散几何LOD是最简单的LOD算法，不同的表示是不同图元数量的同一模型，但这种方法突越现象严重。

混合LOD | Blend LODs

在概念上，完全可能存在一种直观的方法，从一个LOD切换到另一个LOD，只需要在较短的时间内在两个LOD之间执行一个线性混合，这种方法无疑可以得到一种比较平滑的切换，但是这种混合操作的代价较高。渲染两个LOD要比一个LOD需要更大开销，因此也就违背了LOD的初衷。但LOD切换通常发生在较短时间内容，在同一时间也不是对场景中所有物体进行切换，所以依然可以从中获益。Giegl等人在

《Unpopping: Solvingthe Image-Space Blend Problem for Smooth Discrete
LOD Transition 》

这篇文章中提出了一种方法，实际应用的效果较为出色。思路是在两个LOD之间有一个alpha值的过渡，有兴趣的朋友可以进一步了解。

透明LOD | Alpha LODs

完全避免突越现象的一种简单方法便是使用alpha LOD。其中并没有使用同一物体很多不同细节的实例，而且每个物体只有一个实例。随着LOD选取度量值（如与物体之间的距离）的增大，物体整体透明度也随之增大（也就是alpha值减小），当完全透明时，物体最终就会消失。这种方法的优点是，比离散几何LOD方法上感觉更连续一些，可以避免突跃现象。此外，由于物体最终会完全消失而不需要进行渲染，可以得到很好的加速效果。使用Alpha LOD对图中的圆锥体进行渲染，当距离圆锥体较远时，就提高它的透明度，直到最后消失。直线左边的图像是从同一距离处进行的观察，而直线右边的图像是左边图像不同尺寸的情形。与混合LOD的区别是只渲染一个LOD ,只是改变它的透明度，使得突越不这么明显！

连续LOD和几何形变LOD | CLODs and Geomorph LODs

连续细节层次（Continuous Level of Detail , CLOD）的基本思想是基于LOD选取值来精确决定可见多边形的数量。在100m远处，模型包含1000个多边形，当移动的到101m的地方时，模型减少到998个多边形。几何形变层次细节（Geomorph LODs）是基于简化生成的一组离散模型，且其中模型顶点之间的链接关系保持不变。而网格简化的过程可以从一个复杂的物体中创建各种不同的LOD模型，具体做法可以参见《Real-Time Rendering 3rd》12.5.1一节，一种方法就是创建一组离散的LOD，然后按照上文中提到的方法来使用。这里的边塌陷（Edge Collapse Methods）方法有一个有趣的性质，即允许在不同的LOD之间采用其他过渡方法。在UE4中就是HLOD！几何形变LOD的简化模型图示。左边和右边的图像所示分为为低细节层次和高细节层次的模型，中间的图像是在左右模型中间进行插值生成的几何变形模型。注意。中间的牛模型和右边的模型具有相同数量的顶点和三角形。

LOD的选取 | LOD Selection

给定一个物体不同细节层次，必须做一个选择，决定渲染或者混合其中的哪一个层次，这就是LOD选择（LOD selection）的任务。有几种不同的LOD选择方案，这些方案也可以用于遮挡裁剪算法。常见的三种LOD选取技术是：基于距离的LOD选取( Range-Based )基于投影面积的LOD选取( Projected Area-Based )基于滞后的LOD选取(Hysteresis) 依然是分别进行简要概述基于

距离的LOD选取 |Range-Based

选取LOD的一种常用方法是将物体的不同LOD于不同距离联系起来。细节最丰富的LOD的距离从0到一个用户定义值r1之间，下次层次的LOD的距离位于r1~r2之间，LOD3是一个空物体，也就是表示当物体大于r3时，就不渲染任何物体，因为物体对图像的贡献度不够。右图为场景中的一个LOD节点，它只有一个子节点基于r；

基于投影面积的 LOD选取 | Projected Area-Based

基于投影面积的LOD选取，顾名思义，即投影面积越大，就选取细节越丰富的LOD。

基于滞后的LOD选取 |Hysteresis

若用于确定LOD度量标准围绕某个值ri在画面之间是变化的，那么就会出现不必要的突跃现象，也就会在不同的LOD之间来回快速切换。对此，可以引入一个围绕ri值的滞后来解决这个问题。如图，这是一个基于距离的LOD，可以应用于任何类型，当r增大时，使用上一行的LOD距离；当r减小时，使用下面一行的LOD距离。灰色区域表示的是基于滞后的LOD选取方法的滞后区域；

基于Tessellation shader的LOD

Tessellation(曲面细分)是一种将多边形分解成更加细小的碎片以提升几何逼真度的方法。例如，如果处理一个正方形并将其沿对角线切开，那么实际上就是将这一正方形“曲面细分”成为两个三角形。就其本身而言，Tessellation(曲面细分)并不能提升半点逼真度。置换的贴图就是一个存储高度信息的纹理。当应用到某一表面上时，该贴图让这一表面的顶点能够根据高度信息调高或调低。例如，使用一块大理石板，图形艺术家能够通过“置换”顶点的方法打造雕刻效果。另一种流行技术是将置换的贴图应用到地形上，以雕琢出弹坑、峡谷以及山峰。从本质上来讲，Displacement Mapping(贴图置换)需要Tessellation(曲面细分)，反之亦然。动态Tessellation(曲面细分)通过即时改变精细度，解决了这一问题。例如，当远处的建筑物首次映入眼帘时，也许仅使用10个三角形来渲染它。随着用户视野的拉近，该建筑物的显著特征开始浮现，更多三角形则被用来描绘窗子和屋顶等细节。当你最终到达门口时，单单旧式铜质门把手一项就动用了一千个三角形来进行渲染；Displacement Mapping(贴图置换)细致地雕刻出了每一道凹槽。由于消除了动态Tessellation(曲面细分)对象的时隐时现，因此游戏环境现在可以扩展至几乎无限的几何精细度。
听前辈说的现在UE5的几千万面片的地形

参考材料：

opengl LOD
细节层次节点
渲染性能优化之Culling 剔除