Level of Detail

RenderingAcceleration
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简介

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

链接

Github 浅墨 游戏开发中的渲染加速算法总结
19.9 细节层次(LOD) - Justin的文章 - 知乎

过程

  • 生成
    • 生成不同细节的模型表示
  • 选择
    • 基于某种准则选取一个层次细节模型，比如屏幕上的评估面积
  • 切换
    • 从一个细节层次转换到另一个细节层次的过程

LOD切换技术

  • Discrete Geometry LODs（离散几何 LOD）
    • 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
    • 离散几何LOD是一种LOD算法，即层次细节模型，是一种实时三维计算机图形技术，可以根据物体对渲染出图像的贡献程度，选择不同数量的几何体来表达该物体
    • 这种算法非常适合现代图形硬件，因为这些单独的静态网格可以存储在GPU内存中并重用
    • 但是，这种算法也有一个缺点，就是当从一个LOD切换到另一个LOD的时候，会产生突跃现象，即模型的忽然替换会引起观察者的注意
  • Blend LODs（混合 LOD）
    • 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
  • Alpha LODs（透明 LOD）
    • 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
    • Image text
    • 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
  • CLODs and Geomorph LODs（连续 LOD 和 几何形变 LOD）
    • 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
    • 连续细节层次和几何形变LOD的区别是，连续细节层次是基于LOD选取值来动态地调整物体的多边形数量，而几何形变LOD是基于简化生成的一组离散模型，且在不同模型之间进行顶点插值，也就是说，连续细节层次是一种连续的LOD技术，而几何形变LOD是一种离散的LOD技术，但可以实现平滑的过渡效果
    • 两者的优缺点如下：
      • 连续细节层次的优点是，它可以根据实际需要来调整物体的细节程度，而不是像离散几何LOD那样只能选择预先定义好的模型，这样可以提高渲染效率和质量
      • 连续细节层次的缺点是，它需要进行复杂的网格简化和插值运算，这会增加计算开销
      • 几何形变LOD的优点是，它不仅可以生成一组离散的LOD模型，而且可以在这些模型之间进行顶点插值，以实现平滑的过渡效果，这样可以避免突跃现象，也就是当物体从一个LOD切换到另一个LOD时，出现明显的形状变化
      • 几何形变LOD的缺点是，它需要额外的存储空间来保存不同模型之间的顶点链接关系，而且需要进行顶点插值运算，这会增加计算开销
    • Image text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的选取技术（基于距离和基于投影面积的LOD选取最常用）

  • Range-Based（基于距离的LOD选取）
    Image text
    左图为基于距离的LOD的原理示例图。其中，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
  • Projected Area-Based（基于投影面积的LOD选取）
    • 投影面积越大，就选取细节越丰富的LOD。
  • Hysteresis（基于滞后的LOD选取）
    • 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。如下图，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
    • Image text
      灰色区域表示的是基于滞后的LOD选取方法的滞后区域