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研发实战：如何为Quest 2优化移植PC VR内容《Showdown》

小编 刘卫华   |   分类：研发   |  

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将《Showdown》移植到Quest 2并进行各种优化

（映维网Nweon 2022年05月14日）《Showdown》是Epic利用UE4开发的PC VR演示内容，并在2014年首次在Connect大会亮相。团队将这个作品移植到Quest 2，并希望尽可能保持PC版本的视觉逼真度，同时以一致的90 FPS运行。为了达到这个目标，你必须为移动渲染器显著优化CPU和GPU性能。

Application SpaceWarp（AppSW）则是一种面向开发者的优化技术，允许应用以实际显示刷新率的一半进行渲染（例如72 FPS的一半36 FPS），从而为合适的内容释放额外的计算能力。在Meta的初始测试中，AppSW为应用提供了高达70%的额外计算，而且几乎没有可感知的瑕疵。

延伸阅读：研发实战：《Showdown》如何通过AppSW技术提高性能

在上一篇博文中，软件工程师扎科·德雷克（Zac Drake）将撰文介绍了AppSW是如何提高《Showdown》的性能，并演示了如何分析AppSW和其他渲染设置的影响。对于这篇博文，德雷克会讲解是如何把《Showdown》带到Quest 2，在过程中识别性能瓶颈，以及解决CPU和GPU密集型应用的具体优化方案。对于需要将项目移植到Quest的开发者，这值得参考。下面是映维网的具体整理：

Quest 2版《Showdown Demo》的UE4画质表现

1. 流程

从PC VR项目开始，我们的移植涉及数个阶段：

  1. 构建能够在Quest运行的项目

  2. 禁用性能密集型功能

  3. 衡量基线性能

  4. 优化精简项目

  5. 在重新启用单个功能时对其进行优化

  6. 重新启用功能

  7. 衡量性能影响

  8. 根据需要进行优化Building and Running

2. 构建和运行

在Unreal Editor中打开PC项目的副本，并将Android添加到Supported Platforms后，你需要对不太明显的设置进行更改。找到其中大多数设置的快速方法是利用Oculus Performance Window。

[Project Settings项目设置>Plugin插件>OculusVR>启动Oculus Performance Window]

2.1 项目设置

  • Disable Mobile HDR：Quest目前不支持Mobile HDR。禁用HDR可以减轻GPU负载，因为它减少每像素处理的数据。

[Project Settings项目设置 > Engine引擎 > Rendering渲染 > VR > Mobile HDR]

  • Enable Multi-View启用多视图：通过同时处理左眼和右眼的Tile，可以在VR中实现更高效的渲染。

[Project Settings项目设置 > Engine引擎 > Rendering渲染 > VR > Mobile Multi-View]

  • FFRDynamic：根据GPU利用率自动调整注视点渲染水平。

[Project Settings项目设置>Plugin插件>OculusVR>Mobile]

  • Vulkan：我们强烈鼓励在Quest中使用Vulkan。Oculus fork of Unreal包括数个针对Vulkan的修复和改进。AppSW和tonemap subpass都需要Vulkan。

在本文介绍范围之外，我们进行的其他改动包括：

  • 更新至UE4.27

  • 将Matinees转换为Level Sequencer。Matinees是一种不受欢迎的系统，并已由Level Sequencer所取代。

2.2 材质

  • 移除折射输入：它们只支持MobileHDR，如上所述，Quest不支持MobileHDR。

  • 更换不兼容的材质：特定材质在移动设备的行为不正确。对于《Showdown》，这包括第一辆车和机器人使用的shadow blob。我们暂时禁用了阴影，但最终换成了另一种材质。只要你使用移动友好的材质，阴影就可以很好地用于Quest。Unreal文档提供了有关移动材质限制的详细信息。

3. 禁用高成本功能

下一步是尽可能简化项目，以便在Quest实现可接受的性能（60 FPS或以上）。所以，我们采取了下列措施：

  • 隐藏对整体体验不重要的actor，包括：所有碎片/垃圾；背景建筑；地铁入口；标志和海报；建筑的花俏装饰；动态照明

  • 禁用所有粒子emitter。它们将在稍后的过程中逐个重新启用。

  • 特定视觉效果（窗口反射、机器人眼睛周围的光晕等）过于昂贵，而禁用它们对整体体验没有太大影响。

这时，尽管存在低帧率和频繁卡顿的问题，但我们能够在设备打包和运行apk。如果你遇到类似问题，不要担心，我们将讨论其中的每一个问题。但首先，我们先收集性能指标，以衡量在做出更改时的改进。

4. 衡量性能

优化的关键是识别超载的特定系统资源。然后，你就可以针对高负载功能和流程进行优化或消除。

每次剖析应用时，请务必回答以下问题：

  • 应用是否达到我的性能目标？具体来说，帧持续时间是否满足我的目标，例如72 fps是13.9 ms或90 fps是11.3 ms。

  • 如果没有，应用是属于CPU bound或GPU bound？

  • 如果是CPU bound，主线程或渲染线程花费的时间是否太长？

  • 如果是GPU bound，是vertex问题还是fragment问题？

下面我们来看看确定瓶颈的过程，以及解决瓶颈的方法。分析工具之间存在很大的重叠，每个开发者都有自己的偏好，所以我们尝试提供多种选择。

4.1 CPU bound或GPU bound

当你需要确定瓶颈是CPU还是GPU上时，有几种方法可以检查是哪一个降低了帧率。

  1. Oculus Developer Hub（ODH）：在Performance Analyzer选项卡中观察统计数据。

    • CPU>CPU level &GPU>GPU level：如果存在性能问题的应用是CPU 4和GPU 2，则答案是CPU bound，因为依然存在可用的GPU开销。但如果两个level都为4，且应用程序存在问题，则这个数字没有太大帮助。你应该使用其他指标。

    • Timing > App GPU Time：如果显示的时间长度超过单个帧的长度（90 fps是11.1ms），则答案是GPU bound。

    • GPU > GPU Utilization：如果这个值最大为100%，则答案是GPU bound。

  2. VrApi：你可以在logcat VrApi输出中找到与“adb logcat-s VrApi”相同的统计信息。

  3. 你同时可以在Unreal Insights、Perfetto或RenderDoc中使用systrace信息来确定游戏和渲染线程的时间。

有关使用Perfetto设置systrace的详细信息，请参阅前一篇博文

延伸阅读：研发实战：《Showdown》如何通过AppSW技术提高性能

5. CPU性能

在分析CPU时，你将看到两个主线程；游戏线程和渲染线程。如果任何一个线程占用的时间超过了所需的帧持续时间，都会对帧速率产生负面影响。所以，我们来看看如何确定线程是否花费太长时间，以及如何优化它们。

在分析CPU时，你将看到两个主线程；游戏线程和渲染线程。如果任何一个线程占用的时间超过了所需的帧持续时间，都会对帧速率产生负面影响。所以，我们来看看如何确定线程是否花费太长时间，以及如何优化它们。

哪个线程太长？

5.1 UE4 Session Frontend

  1. 从Unreal Editor启动应用

  2. [Window > Developer Tools > Session Frontend]

  3. 选择Console选项卡

  4. 在左侧，展开“My Sessions”和“Launch On Device”

  5. 选择你的Quest

  6. 在Console选项卡的底部输入“stat unit”，然后单击“Send Command”

  7. 在设备端，查看Game（游戏线程）和Draw（渲染线程）的值

5.2 ADB

或者，你可以使用以下adb命令启用相同的统计信息：

adb shell “am broadcast -a android.intent.action.RUN -e cmd ‘stat unit’”

利用显示的信息，你可以确定游戏或渲染线程是否需要更长的时间。在上面的屏幕截图中，应用程序明显受到游戏线程的限制。接下来我们将研究如何优化游戏和渲染线程。

6. 游戏线程

游戏线程处理所有游戏逻辑和物理模拟。它可能会受众多actor和复杂Blueprint逻辑困扰。

6.1 actor

  • 减少骨骼网格: 使用Skeletal Mesh Reduction Plugin骨骼网格缩减插件来减少骨骼网格。

  • 隐藏actor：在可能的情况下，隐藏actor以减少CPU处理。汽车翻车后会挡住士兵。这时候可以隐藏士兵。

6.2 Blueprint

  1. 增加Tick Interval ：不是所有元素都需要更新每一帧。尽可能增加Tick Interval。请注意，勾选这个选项可能会影响物理/碰撞，甚至视觉效果，所以在使用时要小心。

    • [Blueprint > Details > Actor Tick > Tick Interval (secs)]

  2. Nativize Blueprints——如果你有特别复杂的Blueprint，你可以通过转换成原生C++来提高它们的效率。

6.3 物理

禁用碰撞：这不会适用于所有场景，但因为《Showdown》不是交互式内容，我们可以通过禁用士兵的碰撞检测来节省物理处理。

[Details > Collision > Collision Presets = NoCollision]

6.4 粒子

Epic提供了有关粒子系统优化的有用细节：Unreal文档；Unreal文档

  • 减少粒子数和寿命：场景中的粒子越多，寿命越长，需要进行的评估就越多。将寿命限制在效果所需的持续时间内是一种很好的做法。

  • 减少活动emitter：Tick Time直接受场景中活动emitter的数量影响。场景中活动emitter越多，Tick Time越长。除非要求emitter在关卡开始时循环，你才将emitter设置为自动激活。

  • 禁用碰撞：碰撞模块的成本非常昂贵，可能会对CPU性能产生显著影响。所以请考虑在视觉可接受时禁用粒子碰撞。在粒子编辑器中，从每个emitter移除碰撞模块。

7. 渲染线程

渲染线程绘制对GPU的调用。即便几何数据没有减少，但将对象组合到单个绘制调用中会更有效。提高渲染线程性能的主要方法是通过组合actor和instancing来减少绘制调用。

概括言之：减少绘制调用

7.1 actor

  1. 合并actor：通过将对象合并为单个actor来减少绘制调用。请记住，在合并对象时，合并的bounding box大小会增加。较大的bounding box可能意味着对象被剔除的频率较低，并会导致CPU和GPU处理更多的绘制调用。重要的是要分析场景，以确保在合并时提高性能。在《Showdown》中，我们广泛使用 Proxy Geometry Tool来合并建筑物和场景的其他部分。

  2. 隐藏actor:如上文所述，隐藏被翻转汽车遮挡的士兵同样可以减少绘制调用

7.2 Instancing

实例化允许你在单个绘制调用中渲染一批相同的网格。网格的顶点已可用于GPU。然而，GPU需要一个transform来渲染网格的每个occurrence。实例化将transform存储在GPU内存中，这样就可以将它们批处理为单个绘制调用。

  1. 自动Instancing：这是最简单的方法。引擎将为你发现并批量复制网格。

  2. Instanced Static Mesh （ISM）：不是在场景中创建多个静态网格，而是创建一个空actor，添加ISM组件，并在组件属性中添加实例。注意：所述实例不是单独剔除，不能在运行时移动。

  3. Hierarchical Instanced Static Mesh （HISM）-与ISMs类似，但提供LOD和距离剔除支持。不过，这会增加性能成本。

更多关于渲染线程优化的详细信息请访问Epic文档。

8. GPU性能

不同于其他GPU为顶点和片段着色器采用不同的计算单元，高通使用统一的着色器架构。相同的核心运行顶点着色器和片段着色器。你不会遇到这样一种情况：有太多的片段工作，以至于顶点工作可以并行完成而不需要花费成本。

换句话说，了解哪个阶段、片段或顶点需要GPU的大部分时间依然非常有用，因为每个阶段都应用了不同的优化。

你可以使用ovrgpuprofiler查看片段和顶点花费的时间。

  1. 从adb shell运行“ovrgpuprofiler-r”

  2. 检查以下各项的值：

    • %时间着色片段

    • %时间着色顶点

另一个测试是将应用程序的渲染比例缩小到较小的值（如0.2），从而渲染更少的像素。这将渲染更少的片段，但保留场景复杂性。

  1. 运行VrApi

    • adb logcat-s VrApi

  2. 记下应用时间

  3. 减少像素密度

    • *adb shell “am broadcast -a android.intent.action.RUN -e cmd ‘vr.PixelDensity 0.2’”

  4. 再次检查VrApi应用时间

    • 如果应用时间改善，则片段工作多。

    • 如果应用时间没有改善，则顶点工作多（或可能会是CPU bound）。

注意：这个方法同样可以作为判断GPU bound与CPU bound的一个指标，因为移动VR应用更可能是fragment bound而不是vertex bound。如果应用时间随着像素密度的降低而提高，你应该再看看CPU利用率。

9. Vertex 顶点

顶点密集型应用存在场景复杂性问题。这本质上是太多三角形同时渲染。

概括言之：减少三角形/顶点

  1. 生成LOD：与camera保持一定距离时减少网格细节。Unreal提供了一个可以减少静态网格多边形数的自动LOD工具。对于《Showdown》，这包括汽车、垃圾桶、机器人和建筑物。我们发现默认距离不会触发level change，所以我们手动调整了它们。我们的LOD工作流程是：

    • 在静态或骨架网格编辑器中打开网格

    • 禁用 [LOD Settings > Auto Compute LOD Distances]

    • 增加[LOD Settings > Number of LODs]到2以创建LOD 1

    • 启用 [View Mode > Level Of Detail Coloration > Mesh LOD Coloration]

    • View Mode视图模式通常在场景视图的左上角显示为“Lit”。

    • 这可以在网格编辑器和主编辑器窗口中更改。

    • 调整 [LOD 1 > Screen Size] 并确认LOD正在切换。

Unreal文档

  1. 降低网格复杂性：对于复杂网格，你可能会发现LOD 0包含的三角形比视觉上可以识别的多。在这种情况下，可以减少LOD的三角形百分比，也可以将Minimum LOD增加到LOD 1。

    • [Mesh Editor > Details > LOD 0 > Reduction Settings > Percent Triangles]

    • [Mesh Editor > Details > LOD Settings > Minimum LOD]

  2. 移除几何体：可以使用静态网格编辑器移除UE4编辑器中的部分网格。我们手动从用户看不到的网格中剥离原语，例如建筑物的背面。

  3. 减少网格粒子：sprite粒子效率更高，因为它们向场景中添加的tri更少。尽量少用网格粒子。更少的网格将减少绘制调用。

10. 片段

片段密集型应用存在着色器复杂性问题。实际上，计算单个像素花费了太多时间。

概括言之：简化着色器

Material Analyzer：标识项目中的所有材质或材质实例。

10.1 纹理/材质

  1. 合并和烘焙：从一种或多种材质创建纹理，以降低着色器的复杂性。

  2. 合并纹理采样节点：避免多次对同一纹理重新采样。美术可以使用比例和UV偏移多次采样相同的纹理，从而为材质添加变化。这种变化在制作美术方面几乎没有成本，但纹理提取不可能优化，因为UV不同。

  3. Fully Rough-尽可能使用。这样可以节省大量材质instruction和一个sampler。

    • [Material Editor > Details > Material > Fully Rough]

    • Unreal文档

  4. 禁用Lightmap Directionality:禁用这个选项可以提供不适用每像素法线的低成本照明

    • [Material Editor > Details > Mobile > Use Lightmap Directionality]

  5. LOD Bias：诸如汽水罐等小型物品的纹理可以很大。将LOD Bias调整到最低可接受水平将最小化纹理带宽消耗。

    • [Texture Editor > Details > Level Of Detail > LOD Bias]

    • Unreal文档

  6. 替换复杂的材质：例如，我们用成本更低的版本替换了昂贵的弹痕材质。

  7. Noise Node Level:减少爆炸材质的level大大减少了instruction计数。在一个案例中，我们将值从7减少到2。

    • [Material Editor > Noise node > Details > Levels]

  8. 纹理sampler：将所有纹理sampler转为使用三线性（或双线性）滤波，而不是aniso。Texture Group允许在配置中进行设置，无需进行美术调整。如果特定视觉看起来更糟（例如道路、人行道、砖墙），你可以轻松将单个纹理sampler更新回aniso。

    • 8.1 更新Texture Group的配置：

    • 在In Config/DefaultDeviceProfiles.ini, 查找[Oculus_Quest2 DeviceProfile].

    • 对于每个“+TextureLodGroup”，将MinMagFilter更改为Linear而不是Aniso。

    • 如果将MipFilter设置为point，它将使用双线性。

    • 如果不设置MipFilter，它将使用三线性。

    • 文档

    • 8.2 更新单个纹理的filter：

    • [Texture Editor > Details > Texture > Filter]

  9. 照明

    • 动态照明：我们尝试在《Showdown》中启用动态照明（爆炸和枪声），但由于触发时填充率增加，这导致了卡屏。最后，我们选择只使用静态照明。

  10. 粒子

    • GPU粒子纹理分辨率：尺寸减小到256x256。理想情况下，将粒子移动到CPU并完全避免GPU工作，但更简单的解决方案是将纹理分辨率缩小到最大粒子数的大小。

    • [Project Settings > Engine > Rendering > Optimizations]

    • 使用CPU而不是GPU：你可以使用GPU粒子，但是如果是GPU bound，并且CPU存在空间，请尝试把它们移回去。在粒子编辑器中，删除所有“GPU Sprites”模块。要再次将它们移动到GPU，右键单击emitter并选择[TypeData>New GPU Sprites]。剖析两个选项。

    • Unreal文档

    • emitter材质：在《Showdown》中，emitter材质用来降低复杂性。我们预计透明材质的成本会十分高昂。由于屏幕上的粒子尺寸较小，它们接触的像素总数较低。结果证明，它们的成本并不高。特定材质依靠折射。所以，我们创造了新的效果（例如汽车爆炸时的烟雾爆炸效果和弹痕）。

  11. 项目设置

    • 最大各向异性：如果使用aniso，限制各向异性采样数会减少纹理带宽，但不会节省纹理内存。在DefaultEngine中设置r.maxObstrophic.ini和DefaultScalabity.ini。

    • Unreal文档

    • 像素密度-如果所有其他方法都失败，可以将像素密度从1.0降低到0.9。修改虚拟现实。使用“执行控制台命令”蓝图节点的像素密度。当GPU是碎片绑定的，并且所有其他选项都已用尽时，这是最后的选择。我们建议动态设置像素密度，以便仅在GPU负担过重的区域降低像素密度，并在可管理时恢复到1.0。

11. 更广泛的优化

特定优化为CPU和GPU提供了显著的性能改进。由于它们不完全符合上述类别，我们将在这里进行讨论。

骨架网格剔除：在分析骨架网格的性能时，我们注意到剔除依然在提交视图外网格的绘制调用，而这会降低性能。解决这个问题的步骤是：

  1. 通过在bound更新中包含组件位置，确保bound根据需要进行更新。

    • [Skeletal Mesh Component > Optimization > Component Use Fixed Skel Bounds = false]

    • 这非常必要，因为我们启用了“ Only Tick Pose when Rendered”

    • [Skeletal Mesh Component > Optimization > Visibility Based Anim Tick Option]

  2. 在编辑器中检查infiltrators，因为它们用于frustum culling tests。启用[Show>Advanced>Bounds]，然后多选相关骨架网格。

  3. 物理asset视为骨架的“根”，是游戏内bound的一部分。例如，infiltrator移动得更远的射击动画只会扩展bound，如下图所示。

  4. 在从骨骼中移除根节点后，我们得到了更紧密的拟合，从而大大改进了frustum culling。

  5. 要删除根，请执行以下操作：

    • 双击asset，打开Skeletal Mesh editor

    • 选择右上角的 Physics

    • 选择 Skeleton Tree下的toot

    • 禁用 [Details > Body Setup > Consider for Bounds]

之前： Infiltrator bounding boxes延伸回根。

之后：更紧密的bounding box会导致更有效的对象剔除

12. 帧卡顿

概括言之：消除运行时着色器编译

PSO缓存——提前收集着色器数据，并将其构建到应用程序中，以便在启动时编译着色器。即时编译可能会对CPU造成负担，并导致暂时的帧速率降低或故障。

第一运行《Showdown》出现了非常明显的卡顿，而在第二次却没有。 Unreal Insights将卡顿显示为PSO Vulkan Creation。你可以在FPS图中看到OVR指标的变化。当使用正确生成的PSO缓存构建时，整个序列第一次运行时没有卡顿。这对VR应用尤其重要，因为即使是小幅卡顿，用户都会非常容易察觉

有关设置的详细信息，请参阅这个Unreal文档。你需要构建一个特殊的build，并在整个应用程序中运行，从而收集PSO数据。所以，请等到项目接近完成后再进行这一操作。一旦配置完成并且如果需要，再次捕获缓存数据就会相当简单。

《Showdown》资源包括GenerateSpocache。bat处理从头显中提取数据文件、构建csv，并将其移动到项目目录进行打包。你可以修改这个脚本的参数，以便在自己的项目中使用。

13. 结论

以上是我们优化《Showdown》并将其带到Quest 2的过程。希望这个经验分享可以帮助你更好地将PC VR项目移植到Quest 2，找到CPU和GPU瓶颈，以及相应地优化应用程序。相关项目请访问GitHub。另外，如有任何问题，请随时访问Oculus开发者论坛。

本文链接：https://news.nweon.com/97089
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