People Mountain People Sea - 探索MMO在虚幻引擎上的实现(客户端篇)

￡神魔★判官ぃ 2022-11-16 10:48 139阅读 0赞

**这是【游戏开发那些事】第22篇技术文章**

前言：本文来自吕文伟老师的知乎专栏——《游戏开发杂谈》。吕老师是我上个公司的技术专家，在图形渲染、网络架构以及性能优化上都有着非常深厚的功底。他的团队最近在探索如何在虚幻引擎上实现MMO，这篇文章是一些相关经验的总结。

在Unreal Engine的架构下，要想实现巨量的角色在同一个场景里模拟其实还是有些困难的，如果不做任何优化，大概上百个角色就已经让游戏吃不消了。对于如何有效的承载大规模的角色动画计算负荷，很多人第一反应是基于Bone Palette的Skinned Instancing，这种方法确实可以在很短的时间内完成巨量的角色动画合成以及渲染。

![484c338ed191ab1a5b489f00991a7e09.png][]http://developer.download.nvidia.cn/SDK/10/direct3d/Source/SkinnedInstancing/doc/SkinnedInstancingWhitePaper.pdf

但是Skinned Instancing它也有自身的缺陷，由于大部分的逻辑需要在GPU端执行，所以骨骼的关键帧数据需要事先烘焙到Buffer或者Texture中，然后才能被Shader读取出来。这个步骤的本身就破坏了工作流，而且很不直观，容易出错。原本Unreal Engine的Character Animation都是基于Animation Graph来制作的，现在由于受制于Skinned Instancing的框架，所以不能不把那些复杂的状态机逻辑进行简化，大大降低了动画效果的丰富度和自由度。

不过话说回来我们还是有办法将大部分Animation Graph里的逻辑移植到GPU端的，毕竟现在的GPU不仅可以渲染Mesh，而且还能处理很多通用计算的任务。另外，Unreal Engine还提供了像Niagara这样灵活的可视化脚本语言，利用它我们可以较为方便的在GPU端实现一整套复杂的动画逻辑，例如多个动画片段的混合以及播放速度的调整。现在Epic官方已经放出相关的教学视频供大家参考，效果确实十分惊人。

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▷▶Simulating Large Crowds In Niagara

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▷▶如上所述Niagara实现的Crowds限制还是很多的

初看起来使用Skinned Instancing是解决巨量角色模拟的必由之路，但经过冷静分析，我还是觉得弊大于利。在GPU端做动画计算只是角色模拟的一部分需求而已，其实角色在场景中的移动处理也会带来非常大的开销。而且动画的播放有时会与其他的模块发生联动，例如当动画播放到某个时间点时会触发一个事件，这个事件有可能是要求播放一个声音，又或者是发射一个粒子特效，甚至是设置某个材质实例的参数，这些逻辑倘若放在GPU端就有点难办了。

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▷▶Animation Notify

除此之外，角色的骨架上也许还会绑定一些其他的物件，例如手上握着的剑和盾，这时绑定的Mesh就需要读取到当前手部骨骼的位置。如果是人骑在马上，两套骨骼动画还有依赖关系，人的动画需要等马的动画结束后才能对Mesh做蒙皮处理。再假设动画中使用到了Root Motion，我们还需要在CPU端做根骨骼位置的计算，因为计算的结果要应用到移动逻辑上才能驱动角色前进。以上的种种不便都不是一时半会能够解决的问题，需要开发对应的编辑和调试工具，所以我决定先尝试CPU端的优化策略，在质量和性能间去寻找平衡。

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▷▶RootMotion

为什么大家对CPU做大规模的动画计算不抱有什么希望呢？主要的原因是对Drawcall数量怀有深深的恐惧。通常我们都会觉得CPU即便能在规定的时间内把角色动画处理完毕，但要提交这么多的Drawcall，一定也是扛不住的。

可是我需要给大家还原事实的真相。通过对Unreal Engine做性能分析，你很容易就会发现角色模拟的瓶颈其实并非是由于动画的计算导致的，而是角色的移动。虽然角色动画的Evaluation本身可以并行处理，而且Unreal Engine也支持了这一特性，但是最后的收尾工作却放在主线程执行，这在一定程度上影响了性能。其实并不难理解，骨骼上可能绑定有刚体，而刚体的状态更新需要在主线程里执行，所以它被安排在骨骼动画的收尾阶段处理。另外，事件回调也被放在了主线程里执行，这同样也是很合理的，因为回调中的业务逻辑千奇百怪，很多都不是线程安全的，所以保险起见，在主线程顺序处理最为稳妥。

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回过头来谈谈移动的逻辑，是否真的无药可救了呢？我认为不是。很多人觉得只能通过减少场景查询的复杂度来缓解这一问题（我以前也做过类似的尝试，有兴趣的可以翻看我之前的文章），但那些手段基本上属于杯水车薪，对个上千个角色的模拟根本没有任何的效果。**所以我决定还是努力把移动组件的Tick函数放到工作线程里并行处理**，毕竟现在的CPU拥有大量的核心，而单核心的工作频率已经到达上限，很难再有提高，要想在规定时间内处理完大量的计算任务，只有将任务并发起来才有可能达成目标。其实我在早期做过相关的探索，但那时的Unreal Engine版本对一些功能的支持不够完善，实现起来不是那么方便。现在的版本TickTaskManager已经具备了相关的功能，只要稍作修改就能够工作。

给大家展示一下最近这段时间的工作成果 (请注意以下的测试程序并没有使用Update Rate Optimization和Skeletal LOD等优化手段，主要是为了拉高计算负载，快速达到硬件的极限水平，所有的压力测试都运行在Intel Core i9-9900K的这款CPU上):

1.刚开始没有做任何优化表现是这样的，才400多个角色，主线程的帧时间已经逼近20ms大关了

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2.经过并行的优化后，帧率有了巨大的提升，主线程的帧时间已经降到了6ms以内，而且角色数量也达到了1500个。根据VTune的性能分析报告，我们可以看出大部分的计算逻辑已经并行起来了。

![36788c0253f0fdbedefaabb95b23dbc1.png][]![c3f129fbdeb8455b6a1684bacfef5715.png][]

▷▶Intel 的 VTune工具

3.稍微又给测试程序增加入了一些计算压力，我们生成了大量的Projectile，但主线程的帧时间依然能维持在7ms左右。

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▷▶Character+Projectile

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▷▶渲染线程的负载分析

通过上面的测试，我们发现逻辑并行的思路是可行的。在未来，我会陆续向大家分享我们团队如何在Unreal Engine上去实现MMO Game各种看似不可能的特性，不断挑战和拓展原生引擎的规模边界。当然，不仅是客户端，服务器端也能利用多核的优势，千人同服的梦想应该并不遥远，请大家拭目以待。

**- 未完待续**** -**

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我是Jerish，网易游戏工程师，5年从业经验。该公众号会定期输出技术干货和游戏科普的文章，关注我回复关键字可以获取游戏开发、操作系统、面试、C++、游戏设计等相关书籍和参考资料。

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