HISM(Hierarchical Instanced Static Mesh)是如何工作的

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虚幻中植被的方案除掉自然淘汰的procedual foliage tool，大概分为Foliage和GrassType两种，其中GrassType的原理比较简单，基本观察下就能猜到原理。相对来说Foliage更加黑盒， 抓帧的时候经常会觉得植被draw call数量过多，LOD分布奇怪，合批不合理等问题。本文通过追踪代码分析HISM的构建、剔除、合批过程，纯个人理解，为保持简洁省去部分分支，有不足之处还请指正。


·基本划分

按照更新的频率可以分为三个部分：

  • 构建ClusterTree，运行时不对植被做修改不会调用
  • FHISMSceneProxy的SetupOcclusion，在构造时解析ClusterTree的数据，一般关卡加载时调用一次
  • GetDynamicMeshElements，构建剔除和合批的数据，每帧执行

    • ·构建Cluster Tree

    首先初始化的时候从控制台获取一堆变量，其中比较重要的是CVarMinVertsToSplitNode，这个参数既会影响cluster里植被的数量，也会影响到最后合批的时候每级lod的instance数量。

    然后开始对全部instance的位置构建一个AABB的包裹框，寻找最长的轴进行一次切分，切分后对本次切分的数据进行重新排序，再对左右两组数据继续递归切分。 直到单组内数量少于上述变量除以模型顶点数决定的上限。切分过程类似下图中红→绿→蓝的顺序：


    在得到一个个最基础的cluster后，我们再按照上述的方法对cluster进行一次递归的split，区别是之前的基础单位是单个instance，这次是cluster。 被整合起来的cluster组叫做occlusion nodes。引擎实际切分后bound的可视化：


    完成上述过程后得到一个树结构和对应重新排序的instance数组，对应关系如下图，ClusterTree数组中的0元素包含全部的Occlusion Nodes, 各个Occlusion Node又指向自身包含的clusters的起止位置。每一级又都有自己的bound和对应instance array的起止位置。


    ·Setup Occlusion

    这部分主要就是SceneProxy对Component上传过来的cluster tree解包，得到occlusion bounds，因为不需要每帧更新被抽了出来。


    ·剔除/LOD/合批

    首先构建视平面，有动态阴影就从ShadowCullFrustum构建，没有就从视锥。然后计算剔除距离，受编辑器参数控制。

    各级LOD的切换距离由3个因素决定，Mesh的bound大小(这里是平均缩放大小，不是单个)，各级LOD设置的screen size和视锥的matrix。

    有了上述的信息之后，就可以开始遍历cluster tree整合出真正绘制需要的数据：

  • 对于整个节点的bound都在视锥外的情况，直接整个剔除掉
  • 对当前节点的bound进行近远点距离的计算，对比LOD的切换距离，递归时Bound减小逼迫近远点的LOD到同一个值上。
  • 未满足跳出条件时traverse子项

    • 观察发现跳出大致有两种情况：

  • 已经hit到最低级cluster，直接打包cluster指向的instance
  • 没有hit到最低一级，但是node里的instance数量少于CVarMinVertsToSplitNode/Num of LODVertices

    • 上面每次满足条件跳出都添加了一次绘制需要的数据，在后续FillDynamicMeshElements时直接添加到了Mesh Batch里。


    ·结论

    了解HISM的工作原理解决了我之前比较困扰的几个问题：

    Q:为什么通常近处的draw call会更细碎，数量更多，远处合批力度相对更大？

  • 近处LOD级别高，顶点数多，cluster的父级通常没法包含这么多的vertices。

    • Q:为什么很多草绘制的是同一级LOD，却被分成了好几次draw call？

  • 草的cluster在一级LOD上，但是它的父级跨LOD或者instance总数超过了CVarMinVertsToSplitNode/Num of LODVertices。

    • Q:为什么植被LOD要在效果满足的情况下尽早切换到Billboard？

  • 除了顶点本身的开销，顶点数量从千位数掉到个位数对合批力度的提升巨大。