在先前舉辦的華為開發者大會2022（HDC）上，華為通過3D數字溪村展示了自有3D引擎“HMS Core 3D Engine”（以下簡稱3D Engine）的強大能力，作為一款高性能、高畫質、高擴展性的3D引擎，3D Engine不僅能通過實時光追、水體渲染、體積云霧、多維GPU粒子系統等技識訓原真實世界的物理表現，對于大規模數字世界的實時渲染，3D Engine同樣也能為開發者提供有力的技術支持，
大規模數字世界的需求與挑戰
今天，如何更好地實作大場景下的實時渲染，已經成為行業的熱門話題，相關技術在眾多領域都有著廣闊的應用前景，我們可以明顯感受到，從3D游戲到虛擬現實，從三維GIS到數字城市，涉及場景的規模都在呈指數級增長，部分游戲中的世界地圖甚至沒有邊界，可以說，大規模場景的實時互動渲染能力正在成為構筑數字世界的基礎設施，
然而，這并非易事，
場景規模的擴大帶來的結果就是海量的內容和資料，一個城市涉及的物件數差不多是百萬級，面片數更是可能達到億級，而硬體配置卻始終是相對有限的，即使再高級的硬體配置也有力不從心的時候，
資料和硬體之間的矛盾，對3D引擎的大場景實時渲染能力提出了挑戰：
? 由于物件、網格、材質等內容數量太多，受限于顯存容量，傳統的全場景預先加載方式無法實作；
? 在傳統3D繪制模式下，GPU的算力不足以支撐萬級規模物件數和億級規模面片的實時渲染；
? 如果使用流式加載場景的方式，可以實作一邊渲染一邊加載資料，但需要預處理場景資料，諸如磁區分層、模型合并、材質合并、紋理烘焙等預處理往往極為耗時，幾萬個物件就需要小時級的等待，且僅支持場景中靜止不動的物件，
譬如上圖這個服務器大樓，三角面片數達到了千萬級，并且有將近萬件的模型，為了實作實時渲染，通常需要通過HLOD的方式將整個場景進行Spatial-Coherent的層次重組，
類似于右圖紅圈所示，以不同半徑為一個空間節點，將圈圈內的模型進行合并處理，從而降低場景物件的遍歷數量，提高繪制性能，而這個預處理操作本身就需要耗費近一個小時，大大增加了除錯和開發成本，
那么，HMS Core 3D Engine將如何應對挑戰，構建大規模場景的實時渲染能力？
Hi-Mesh層級網格渲染加速技術
為了解決這三個“放不下”、“算不了”、“等不起”的問題，華為2012菲爾茲實驗室基于HMS Core 3D Engine自研了“Hi-Mesh”層級網格渲染加速技術，針對場景中的資產進行多維度、多層級的結構優化，確保場景結構在生成、遍歷、處理程序中的高效，譬如針對一個大規模場景，可將其數字內容進行多維磁區：
- 按空間結構磁區
3D場景中利用物件原生隱含的空間屬性，進行快速位置編碼和索引，大幅降低傳統樹形結構的線性遍歷耗時；
- 按視角空間分層
利用視角的局限性，對場景中的物件進行不同細節層次的區分或合并處理，從而降低場景的資料量；
- 按內容特征分組
利用場景物件的特征，如按網格、材質的同源性進行分組，從而使用特定優化的繪制指令來強化它們的繪制效率；
- 按拓撲連接分片
將模型網格進行更精細粒度的分片，實作高效率的剔除和遮擋操作，優化實時渲染的性能，
Hi-Mesh架構圖
基于將場景化整為散的原則，以高效率的空間/視角結構來實作多層級的資料優化，并以GPU驅動的方式，最終實作百萬級物件、億級片面的數字世界的實時渲染，
一千個物件實時動態更新
為了實作上述的操作，3D Engine使用了一種隱式編碼樹的空間層次結構——“Hi-Mesh Tree”，不同于傳統基于鏈表形式的空間結點樹的方式，3D Engine通過一種常量級性能的構造和遍歷方法，相較現有的商業引擎，大規模場景的實時渲染性能可提升15%~120%，此外，還可以大幅提升三維空間場景組織結構的生成效率，甚至達到毫秒級，大大降低了作業流的時間成本，
資料來源： 華為內部實驗室測驗結果
同時，3D Engine還使用了基于GPU驅動的Cluster Rendering (GDCR)繪制技術，
GPU驅動在業界已有一些探索和應用，其理想目標是用一個Draw Call（DC）來繪制整個場景，以充分發揮GPU的并行流水線能力，實作渲染性能的提高，下圖是Ubisoft 在Siggraph 15上提出的GPU驅動管線的架構圖，其核心思想就是將原本基于CPU的可視性檢測處理遷徙到GPU上，利用GPU的并行和可編程能力，提供高并發、不同粒度的可視性檢測能力，從而大幅提高渲染性能，
3D Engine為了更充分的實作GPU驅動的效率，對GPU驅動的管線節點、資料傳輸、圖形資產進行深度優化和耦合，將場景下的所有3D物件在GPU上進行各個維度（包圍盒、實體、片區、三角面）的可視性剔除，配合多層的重組（材質、頂點），從而實作以最少量的繪制指令來實作場景的光柵化和著色，同等規模場景下相比傳統模式的渲染性能實作了翻倍，
同等規模場景下渲染性能對比
可以預見，未來的數字世界無論是元宇宙、數字孿生、還是開放大世界，趨于龐大的豐富多彩場景都將會是不可或缺的組成部分，在Hi-Mesh技術的加持下，3D Engine得以通過高效的空間層級結構和GPU友好的繪制管線，大幅提高大規模數字場景下的實時渲染能力，使場景中的3D內容“盡情放”、“更快看”、“少等待”，幫助開發者大大提升生產力，
關于HMS Core 3D Engine
3D Engine是HMS Core面向行業伙伴推出的重要圖形能力，不僅提供高性能、高畫質、高擴展性的實時3D引擎，配合低代碼的可視化開發，能夠幫助開發者便捷高效地創造出高品質的3D內容和體驗，如需進一步了解更多資訊，請訪問： developer.huawei.com/consumer/cn/hms/3d-engine/?ha_source=hms1
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