在游戏开发中，剔除是非常重要的技术。剔除可以帮助我们将不需要的渲染开销降到最低，大幅提升游戏的帧率。

游戏中的剔除可以分成多个部分，比如 遮挡剔除、LOD、视锥剔除、硬件剔除、GPUDrivenPipeline 等。在这些里面，遮挡剔除是最难以实现的，也是变化最丰富的，这里就来小结下游戏中常用来实现遮挡剔除的方式：

1. 预计算可见性/Precomputed Visibility

这种方式比较简单，就是先将场景划分成一个个Cell，让后对于每个Cell区域，预计算出摄影机在这个Cell范围内时，所有可能看到的物体，并将信息保存下来。这样在运行时就可以直接查表来得到所有静态物体的可见信息，运行时开销几乎为0。

UE4中内置了这一功能^[1]，同时推荐在手机上开启此功能。

不过这种方式的缺点也很明显，完全无法剔除动态物体，静态物体可见性全部都是不可变的。

如果我们想要实现对动态物体的剔除，可以对该算法进行改进：在每个Cell中，同时保存其他Cell的可见性。对于小型的动态物体，我们先计算出动态物体所在的Cell坐标，然后根据Cell之间的可见性信息，判断可见性。这样做会额外消耗内存，如果动态的小型物体较多时，可以考虑配合使用。

Precomputed Visibility 已知应用：UE4 Mobile、逆水寒^[2]。

2. Portal-Culling

这种方式也是将场景划分成Cell，不同的是，烘焙时保存的是每两个相邻Cell之间的连通性。

这样，在运行时，根据摄影机所在的位置的Cell和观察方向，就可以根据Cell间的连通性信息，快速计算出目标物体是否处于可见范围内。

相对上面完全的预计算，这种方式的优点就是可以剔除动态物体，同时提供了些许的静态遮挡物体变化的灵活性。比如有扇可以开关的门，当门被打开后，就可以将门两侧的Cell的连通打开。

使用这种方式最出名的中间件方案就是Umbra^[3]。Unity自带的遮挡剔除^[4]就是使用的Umbra。

Portal-Culling已知应用：Unity，Control。

3. 基于软光栅/Software Occlusion

这种方式需要手动标记好大型的用来遮挡的物体，在运行时，将遮挡物的包围盒（或最高LOD级别的模型）软光栅到CPU内存中的z-buffer上，然后根据z-buffer中的深度信息，根据需要剔除物体的包围盒，实时计算遮挡信息。

这种方式缺点是对CPU端压力很大，优点是非常灵活。

相对前面两种方案，软光栅剔除提供了非常大的灵活性，支持完全可变/任意大小的场景，适用于流式关卡/大世界中的应用。

相对GPU实现的遮挡剔除，这种方案完全不用担心硬件兼容问题。

UE4的手机方案中也提供了这种剔除方式^[5]，设置r.mobile.AllowSoftwareOcclusion 1即可打开。

由于CPU的软光栅计算压力非常大，因此我们需要注意，不能在光栅化时计算太多的物体，不能使用精细的模型计算。由于浮点数计算很多，因此通常需要配合 SIMD^[6] 技术来使用，比如 PC上的 SSE/AVX 和 ARM 下的 Neon。

Software Occlusion已知应用：UE4 Mobile，BattleField3 ^[7]，天涯明月刀端游^[8]。

接下来来看基于GPU实现的剔除方案：

4. 遮挡查询/Occlusion Query

Occlusion Query首先使用一个简单的depth-only的pass将深度写入到z-buffer中，然后使用物体的包围盒传入到GPU进行遮挡测试，如果测试发现所有像素都被遮挡，说明这个物体是被遮挡的物体，否则的话认为是可见的。

包括OpenGL^[9]和Directx^[10]在内的图形API都提供了这种遮挡剔除。

由于从GPU回读数据到CPU通常很慢，因此通常会将得到的数据放在下一帧中作为剔除数据来使用，这样遮挡剔除其实是延迟一帧生效的。不过一般来说，延迟一帧的剔除对实际的渲染影响并不大。

UE4中默认也是采用这种方式做剔除^[11]。

Occlusion Query已知应用：UE4。

5. 基于HZB剔除

HZB即Hierarchical z-buffer，HZB是多Mip层级的z-buffer，每个更高级别Mip的buffer记录上一级别中周围四点中最远处的深度值。

将HZB生成后，就可以将待剔除物体的包围盒信息传入到Computer Shader中进行计算，计算时会选择最适合的Mip级别进行遮挡测试。在屏幕中占比更大的物体会选择更高级别Mip的深度进行测试，这样可以降低计算量。

计算结果会存储到贴图或者buffer中，然后从GPU回传到CPU。这种方式和上面提到的方式一样，会有计算结果的延迟。

UE4中可通过r.HZBOcclusion=1切换到这种剔除方式。

HZB剔除已知应用：UE4、原神。

参考

1. ^https://docs.unrealengine.com/4.27/en-US/RenderingAndGraphics/VisibilityCulling/PrecomputedVisibilityVolume/
2. ^https://zhuanlan.zhihu.com/p/150448978
3. ^https://www.gamasutra.com/view/feature/164660/sponsored_feature_next_generation_.php
4. ^https://docs.unity3d.com/Manual/OcclusionCulling.html
5. ^https://docs.unrealengine.com/4.27/en-US/RenderingAndGraphics/VisibilityCulling/SoftwareOcclusionQueries/
6. ^https://zhuanlan.zhihu.com/p/55327037
7. ^Culling the Battlefield: Data Oriented Design in Practice https://www.gamedevs.org/uploads/culling-the-battlefield-battlefield3.pdf
8. ^http://twvideo01.ubm-us.net/o1/vault/gdcchina14/presentations/833779_MiloYip_ADataOrientedCN.pdf
9. ^https://www.khronos.org/opengl/wiki/Query_Object
10. ^https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3d12/predication-queries
11. ^https://docs.unrealengine.com/4.27/en-US/RenderingAndGraphics/VisibilityCulling/