遮挡剔除：原理、实现与性能优化

什么是遮挡剔除

遮挡剔除（Occlusion Culling）是一种渲染优化技术，在渲染前判断物体是否被其他不透明物体完全遮挡，如果不可见则跳过渲染，从而减少 Draw Call 和 GPU 负载。与视锥剔除（Frustum Culling）不同，视锥剔除仅剔除视野外的物体，而遮挡剔除处理被遮挡的物体。

遮挡剔除的原理

遮挡剔除通常基于深度缓冲或空间数据结构。常见方法包括：

• **硬件遮挡查询**：使用 GPU 查询（如 D3D 的 ID3D11Query）测试物体的包围盒是否通过深度测试，如果未通过则说明被遮挡。
• **软件光栅化**：CPU 光栅化遮挡体到低分辨率深度缓冲，然后测试物体包围盒。
• **层次 Z 缓冲**：维护一个金字塔形深度缓冲，快速测试包围盒可见性。
• **门户剔除**：适用于室内场景，通过门洞传播可见性。

在游戏引擎中，通常使用保守的包围盒（如 AABB）进行测试，以减少计算量。

在引擎中的应用

• **Unity**：使用 Umbra 中间件提供遮挡剔除。需要在 Window > Rendering > Occlusion Culling 中烘焙遮挡数据（设置遮挡区域、静态物体等）。运行时自动执行。
• **Unreal Engine**：默认启用遮挡剔除，使用硬件查询和软件光栅化结合。可以通过 `r.EnableOcclusionCulling` 控制。

遮挡剔除的注意事项

• **动态物体**：遮挡剔除对动态物体效果有限，通常仅对静态物体高效。
• **烘焙**：Unity 的遮挡剔除需要烘焙场景，修改场景后需重新烘焙。
• **粒度**：通常以物体或组件为单位，过大或过小都会影响效果。
• **移动端**：移动端 GPU 查询可能开销大，可使用简化的 PVS（潜在可见集）预计算。

与其他剔除技术的比较

• **视锥剔除**：剔除视野外物体，是最基本的剔除。
• **背面剔除**：剔除背向摄像机的三角形，硬件自动完成。
• **遮挡剔除**：剔除被遮挡物体，进一步减少渲染负载。

实际渲染中，三种剔除技术通常结合使用。

常见问题

遮挡剔除与视锥剔除有什么区别？

视锥剔除剔除视野外的物体，遮挡剔除剔除被其他物体遮挡的物体。

Unity 中如何使用遮挡剔除？

需要将物体标记为 Occluder Static 或 Occludee Static，然后在 Occlusion Culling 窗口中烘焙。

遮挡剔除对移动端性能有帮助吗？

有帮助，但移动端可能使用简化方法，如预计算可见性（PVS）。

动态物体能被遮挡剔除吗？

可以，但通常使用硬件查询，性能开销可能较大。有些引擎对动态物体使用保守剔除。

遮挡剔除会不会产生错误剔除？

如果算法过于激进，可能错误剔除可见物体。因此通常使用保守测试，如使用包围盒代替精确网格。