《戀與深空》開發(fā)團(tuán)隊(duì)獨(dú)家分享：骨骼布料、碰撞檢測(cè)的 4 大核心技術(shù)實(shí)踐

《疊紙游戲》的資深物理算法工程師趙英杰先生在本屆 Unite 大會(huì)上給大家詳細(xì)介紹了游戲中高性能物理框架的實(shí)踐，其中包括布料、碰撞檢測(cè)等核心功能，以及如何將這些技術(shù)在玩法中優(yōu)化應(yīng)用。

趙英杰：大家好，接下來由我給大家?guī)怼稇倥c深空》物理效果開發(fā)的相關(guān)內(nèi)容分享。我叫趙英杰，來自疊紙游戲，曾參與過《閃耀暖暖》《戀與深空》等項(xiàng)目，目前在《戀與深空》制作組擔(dān)任引擎程序，主要負(fù)責(zé)物理和動(dòng)畫相關(guān)內(nèi)容的開發(fā)。本次分享主要分為四個(gè)部分：布料模擬實(shí)現(xiàn)、實(shí)時(shí)表演控制、基于 Unity DOTS 的開發(fā)和碰撞檢測(cè)模塊。

布料模擬實(shí)現(xiàn)

布料模擬實(shí)現(xiàn)在整個(gè)《戀與深空》的表現(xiàn)當(dāng)中占了相當(dāng)大的一塊部分。比如說我們的劇情表演、戰(zhàn)斗一些活動(dòng)以及玩法都大量使用了布料的。我們使用的布料系統(tǒng)是自己開發(fā)的一套基于骨骼的布料模擬系統(tǒng)，內(nèi)部名稱的叫做 StrayCloth。采用的模擬方法是 XPBD 結(jié)合 SubStep 的方式。相比 PBD，XPBD 的優(yōu)點(diǎn)是擺脫了迭代次數(shù)和時(shí)間步長(zhǎng)的依賴，結(jié)合 SubStep 可以顯著提升解算的收斂效果。比較特殊的地方在于，我們使用骨骼作為模擬粒子，也就說每個(gè)粒子除了位置以外還帶旋轉(zhuǎn)信息。在具體的 SubStep 實(shí)現(xiàn)中，我們針對(duì)不同性能壓力場(chǎng)景采用動(dòng)態(tài)的子步幅時(shí)間，在 1/200 -1/300 之間。并且對(duì)場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行運(yùn)動(dòng)插值，這樣碰撞的效果會(huì)更加穩(wěn)定。事實(shí)上運(yùn)動(dòng)插值雖然性能開銷不是很高，但是由于類型眾多，比如有靜態(tài)粒子，碰撞體，風(fēng)場(chǎng)等，實(shí)踐起來還是非常麻煩的。

這里其實(shí)有一個(gè)疑問，我們?yōu)槭裁词褂霉趋蓝皇褂么砭W(wǎng)絡(luò)，而是使用頂點(diǎn)的方式去模擬布料。《戀與深空》項(xiàng)目中對(duì)于布料表現(xiàn)的模擬需求其實(shí)是比較復(fù)雜的，很多時(shí)候需要?jiǎng)赢嫼徒馑愕墓餐槿搿９趋婪桨缚梢栽谶@兩者之間做一個(gè)很好的過渡和平衡。然后受限于移動(dòng)端的性能，骨骼方案結(jié)合我們 cts 的一些配置，可以留給美術(shù)很大的自由調(diào)節(jié)空間。在骨骼的基礎(chǔ)上，我們實(shí)際上構(gòu)建了類似頂點(diǎn)模擬的約束方式，可以看下圖右側(cè)的圖，是一個(gè)物理資產(chǎn)的 debug 圖，可以達(dá)到和 Mesh 模擬相對(duì)近似的效果。

在已有的骨骼布料方案里，骨骼約束實(shí)現(xiàn)常采用基于 Local 和 Global 形狀約束的實(shí)現(xiàn)方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單快速。但是也有明顯的缺點(diǎn)，在用來做布料模擬時(shí)，效果偏向卡通風(fēng)格，這不符合《戀與深空》追求的3D寫實(shí)風(fēng)格，而且它的參數(shù)調(diào)整非常不直觀，因?yàn)樗?gloabl 和 local 兩個(gè)彎曲參數(shù)，不利于美術(shù)調(diào)整以及在不同場(chǎng)景下的效果匹配。

我們?cè)诠趋兰s束方案上，選擇了基于 Cosserat Rod 的骨骼約束。它有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一是效果上更加自然貼近《戀與深空》整體的3D寫實(shí)美術(shù)表現(xiàn)風(fēng)格。第二是彎曲參數(shù)上只有一個(gè)參數(shù)，更加直觀，并且三個(gè)軸向強(qiáng)度分離，在模擬一些特殊場(chǎng)合，比如帶有裙撐的裙子的時(shí)候，可以通過各向異性的彎曲強(qiáng)度來模擬出近似裙撐的效果。第三，這個(gè)方法在正常情況下其實(shí)更多地使用于頭發(fā)和繩索的模擬，所以我們頭發(fā)和衣服一樣也使用同一套約束。這樣工程量就會(huì)簡(jiǎn)化不少。下方視頻是《戀與深空》最新日卡的一個(gè)表現(xiàn)視頻，總的來說基于 Cosserat Rod 的骨骼約束是可以滿足項(xiàng)目的一些表現(xiàn)需求的。

布料和角色的連接通過兩種方式連接。第一種是靜態(tài)骨骼直接受角色的骨骼動(dòng)畫影響，根據(jù)層級(jí)關(guān)系進(jìn)行移動(dòng)。這種方式比較簡(jiǎn)單，在一些偏向于剛性的連接部位時(shí)表現(xiàn)良好。但是對(duì)于一些骨骼交界有多個(gè)骨骼影響或者存在一定幅度拉伸和收縮的較為復(fù)雜的位置，例如手肘、肩部、腰部，表現(xiàn)上容易出現(xiàn)布料和角色分離。這時(shí)候我們提供第二種吸附的方式，將靜態(tài)粒子吸附到角色模型的某個(gè)三角形上，通過并行的 bake mesh 獲取每幀頂點(diǎn)的更新位置，使用離線計(jì)算的重心坐標(biāo)來更新粒子的 transform。對(duì)于三角形存在的退化的特殊情況，我們使用三角形頂點(diǎn)的蒙皮骨骼的變換，進(jìn)行加權(quán)平權(quán)來更新靜態(tài)粒子的 transform。

碰撞方案上，我們使用一個(gè) dynamic Bvh 來作為場(chǎng)景碰撞的 broad phase 管理，每個(gè)角色作為 sub tree，其內(nèi)部的碰撞體就作為 sub tree node。通過角色 ID、分享可見性還有部件類型，這個(gè)三個(gè)規(guī)則來實(shí)現(xiàn)不同角色、不同部件的碰撞規(guī)則的共享規(guī)則管理。在 narrow phase 當(dāng)中，我們不直接生成 contact，而是緩存碰撞體對(duì)，在 substep 中再具體的解決它們的 overlap。因?yàn)槲覀儾捎玫?sub step 的優(yōu)點(diǎn)，大多數(shù)情況下直接使用 DCD 就可以避免一些快速運(yùn)動(dòng)下造成的穿透問題，不需要引入 ccd 或者可預(yù)測(cè)碰撞（predictive contact）等一些操作。

對(duì)于參數(shù)化的幾何碰撞體，例如平面（plane）、膠囊體（capsule）、box，可以比較簡(jiǎn)單地解決它們和粒子以及 edge 的碰撞。在肩部、胸部、背部等比較復(fù)雜區(qū)域，參數(shù)化的幾何體難以準(zhǔn)確表達(dá)角色模型形態(tài)，表現(xiàn)上容易發(fā)生穿透，所以在這些部位我們大量的使用 Mesh collider，但是 mesh collider 作為不規(guī)則的凹體，甚至有些時(shí)候來說它都不是封閉的，只是一個(gè)面。想達(dá)到精準(zhǔn)的碰撞效果相對(duì)參數(shù)化幾何體就比較困難，特別是在移動(dòng)設(shè)備下。我們采用散列哈希來作為三角形的粗略查找方式，結(jié)合緩存的鄰近三角形結(jié)果，在迭代開始前生成一次粒子-三角形碰撞對(duì)，后續(xù)的迭代中判讀粒子是否在三角形的范圍，如果超出三角形的范圍，通過鄰接關(guān)系進(jìn)行限制步幅的三角形查找來獲取最近的三角形，并且緩存結(jié)果作為下一次的使用。下方的視頻是目前我們項(xiàng)目中的一些具體表現(xiàn)示例，可以看到表現(xiàn)上是比較穩(wěn)定的。

面部碰撞體可以看作是特殊的 Mesh collider，相對(duì)于基本的 mesh collider，它形態(tài)較為固定，也較為平滑，從模型中心出發(fā)基本上沒有三角形重疊，所以我們使用 16x16 的 cubemap 來預(yù)計(jì)算各個(gè)方向上的三角形，這樣碰撞計(jì)算時(shí)可以快速查找到鄰近的三角形。

游戲當(dāng)中布料模擬的自碰撞是最難處理的部分，出于性能上的考慮，我們給出的方案是由美術(shù)預(yù)先對(duì)布料進(jìn)行分層，只考慮這些層之間的碰撞。使用散列哈希作為查找的加速結(jié)構(gòu)，并且為了避免層之間卡住的情況，我們只考慮單法線方向的碰撞，如果已經(jīng)穿透了則略過，交給后面的步驟來修復(fù)。實(shí)際實(shí)踐中，我們使用上一次 substep 的粒子位置來和當(dāng)前的粒子位置進(jìn)行碰撞，這樣可以很簡(jiǎn)單的就解耦數(shù)據(jù)避免依賴。下方視頻是項(xiàng)目中的一些層間碰撞的例子。

對(duì)于層碰撞已經(jīng)穿透的部分，我們參考了 untanging cloth 的方式，使用了一個(gè)輕量的解決辦法，通過布料分層，從布料的固定點(diǎn)出發(fā)，計(jì)算不同層級(jí)的邊和三角形的交點(diǎn)，因?yàn)槲覀兊馁Y產(chǎn)結(jié)構(gòu)必定為一個(gè) uniform 的網(wǎng)格，因此可以通過網(wǎng)格交點(diǎn)比較簡(jiǎn)單的推測(cè)出其它粒子的推出三角形，最后對(duì)穿透的粒子-三角形對(duì)施加彈簧約束來解決穿透。在實(shí)踐中由于 substep 的關(guān)系，穿透的概率相對(duì)不大，因此我們采用分幀分塊執(zhí)行來減輕性能壓力。下方視頻當(dāng)中是一個(gè)三層的穿透分離測(cè)試，可以看到各層布料可以正確的從已穿透的狀態(tài)中恢復(fù)出來。

實(shí)時(shí)表演控制

實(shí)時(shí)表演在《戀與深空》中了占了相當(dāng)大的一塊部分。《戀與深空》劇情表現(xiàn)中大部分的物理表現(xiàn)，都是依托于 cutscene 來實(shí)現(xiàn)的各種物理效果的控制和調(diào)節(jié)。感謝我們的工具同學(xué)開發(fā)和維護(hù)了一套非常強(qiáng)大的 cutscene 工具，在他們的基礎(chǔ)上我們開發(fā)了多種的功能軌道來具體調(diào)控物理效果。物理相關(guān)的功能軌道的種類非常多，下面是一些較為常用的功能軌道，后面我會(huì)細(xì)致的介紹一些它們的具體功能。

下方的動(dòng)圖是我們一個(gè)動(dòng)卡的 Cutscene Physcs Track 的例子，因?yàn)槲覀兠佬g(shù)同學(xué)對(duì)于畫面表現(xiàn)扣得非常細(xì)，所以看上去很普通的一個(gè)鏡頭可以看到整個(gè)物理軌道的配置還是非常復(fù)雜的。從這個(gè)圖中可以看出來，美術(shù)配置了大量的軌道來保證畫面能夠達(dá)到他們預(yù)期的效果。

SmoothBlendPose Track：在表現(xiàn)當(dāng)中，一個(gè)非常常見的問題就是動(dòng)作瞬間切換帶來的物理抖動(dòng)。這個(gè)無論是在劇情表演中還是換裝中，都經(jīng)常出現(xiàn)。我們開發(fā)了一個(gè)較為通用的辦法，通過記錄初始物理姿態(tài)，在切換的時(shí)候在初始姿態(tài)和當(dāng)前姿態(tài)中進(jìn)行姿態(tài)插值計(jì)算，這樣就可以大幅度的緩解抖動(dòng)，當(dāng)然這個(gè)會(huì)帶來一些時(shí)間開銷，一般會(huì)在幾毫秒到幾十毫秒左右，在大多數(shù)情況下都可以接受的。我們也會(huì)額外提供一些參數(shù)，例如插值次數(shù)、插值的步幅大小，來讓美術(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要來去調(diào)整。下方是換裝中的視頻，在切動(dòng)作的時(shí)候會(huì)有大幅度切換，可以看到動(dòng)作表現(xiàn)還是相對(duì)來說比較穩(wěn)定的。

當(dāng)然，SmoothBlendPose 也存在局限性，是通過 pose 間插值得到結(jié)果，不能保證的完全順暢，特別是在一些劇情表演的復(fù)雜鏡頭切鏡下。在這種情況下，我們還提供了一個(gè)比較直接的方案，離線直接保存某個(gè)時(shí)間幀的物理狀態(tài)，在播放時(shí)，將保存的物理狀態(tài)直接應(yīng)用到布料上，這樣就可以完美避免切鏡帶來的一些布料抖動(dòng)的問題。下方視頻中是快速的切鏡，動(dòng)作切換的鏡頭，可以看到使用 Pose Track 就可以讓布料和頭發(fā)的表現(xiàn)相對(duì)來說非常穩(wěn)定。

參數(shù)編輯軌道：?jiǎn)我坏奈锢韰?shù)是很難滿足劇情當(dāng)中的各種不同場(chǎng)景下的表現(xiàn)的，比如有的時(shí)候希望布料軟一些硬一些，阻尼大一些小一些。我們提供編輯參數(shù)的軌道，通過這個(gè)軌道來實(shí)時(shí)修改參數(shù)，絕大部分的參數(shù)都可以覆蓋大，可以非常方便美術(shù)針對(duì)一小段時(shí)間幀進(jìn)行參數(shù)修改。這個(gè)參數(shù)修改還可以用來做一些特殊的效果，比如下方視頻當(dāng)中，美術(shù)就會(huì)利用參數(shù)軌道對(duì)約束參數(shù)進(jìn)行編輯來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的類似于布料斷開的效果。

動(dòng)畫軌道：完全的物理效果實(shí)際上不足以支持起整個(gè)畫面方方面面的表現(xiàn)的，很多時(shí)候需要?jiǎng)赢嫼臀锢淼慕Y(jié)合來做一些互動(dòng)。我們通過動(dòng)畫軌道來實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫和物理的銜接與融合，精細(xì)的控制不同時(shí)間幀范圍下的表現(xiàn)。在實(shí)際制作流程當(dāng)中，動(dòng)作在 DCC 里和最終進(jìn)引擎的表現(xiàn)差異是比較大的，包括一些引擎的實(shí)時(shí) rig 系統(tǒng)修改后，動(dòng)畫可能和其它地方有穿透，所以我們會(huì)在動(dòng)畫融合的基礎(chǔ)上，疊加上物理的碰撞效果，來避免一些穿插。視頻當(dāng)中展示是項(xiàng)鏈在物理和動(dòng)畫之間的交互效果，包括從物理到動(dòng)畫的狀態(tài)切換以及在不同動(dòng)畫之前的切換。

碰撞體軌道（Collider Track）與風(fēng)場(chǎng)軌道（Wind Track）都可以在 cutscene 中動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建、銷毀。可以根據(jù)不同畫面需求，靈活改變碰撞體和風(fēng)場(chǎng)的狀態(tài)。通過角色、部件類型、還有布料的層分組來細(xì)節(jié)控制所要影響的對(duì)象范圍。并且，碰撞體和風(fēng)場(chǎng)軌道的絕大部分參數(shù)可以添加動(dòng)畫幀控制，包括碰撞體的形態(tài)大小、風(fēng)場(chǎng)的方向、范圍、強(qiáng)度、湍流等，方便美術(shù)細(xì)節(jié)地把控物理效果，精準(zhǔn)控制變化。視頻當(dāng)中是一些軌道膠囊體和風(fēng)場(chǎng)的表現(xiàn)例子。

基于 Unity DOTS 的開發(fā)

我們整套物理系統(tǒng)都是構(gòu)建在 DOTS上，DOTS 這套工具非常強(qiáng)大。在 C# 層就可以實(shí)現(xiàn)高性能的多線程開發(fā)功能，迭代和 Debug 都非常便利。目前來說最高可以支持 2000+ 骨骼粒子的模擬。在針對(duì)性的項(xiàng)目使用當(dāng)中我們也做了一些優(yōu)化來進(jìn)一步的提升性能。

Cache Job

模擬中的 job 數(shù)量和依賴關(guān)系確定，job data 并不頻繁變化，幀內(nèi)一般為相同數(shù)量和依賴關(guān)系的 job 組多次循環(huán)執(zhí)行，Unity Jobs 在發(fā)起任務(wù)時(shí)每次都需要重新創(chuàng)建 job，雖然可以提前發(fā)起任務(wù)緩解，在子線程上執(zhí)行，但是依然會(huì)卡主線程。基于以上的觀察，我們開發(fā)了 Cache Job 的方案，預(yù)先創(chuàng)建好 job data，然后每次執(zhí)行時(shí)復(fù)用，避免每次重新創(chuàng)建 job 帶來的性能開銷。

在實(shí)現(xiàn)上的話相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單。因?yàn)樗且粋€(gè)專用的結(jié)構(gòu)，只考慮一些固定的使用場(chǎng)景。我們額外添加了一個(gè) Atomic Queue 用來存 cache job，使用 fetch and add array 來存具體的所需的 job data。下圖右側(cè)就是 worker 執(zhí)行 cache job 的流程示意圖。

Neon Intrinsics

Burst 會(huì)針對(duì)不同的平臺(tái)生成高性能的 simd code。在 Burst Inspector 中可以非常方便地查看。經(jīng)過檢查 Burst Inspector 和實(shí)機(jī)測(cè)試，在某些場(chǎng)合下也可以通過手寫 Arm Neon Intrinsics 來進(jìn)一步提升性能。

這里給出兩個(gè)比較常使用的例子：一是，F(xiàn)loat4 的點(diǎn)乘。對(duì)于點(diǎn)乘，我這里列出了 3 種方式，使用 neon intrinsics 相比于 mathematics 在測(cè)試用例中可以獲得相當(dāng)大的性能提升。如果目標(biāo)機(jī)型支持 armv8.2 的話，可以使用新增的規(guī)約加法指令，來進(jìn)一步地提升性能。一般來說，市場(chǎng)上大部分的流行機(jī)型，如果是重度游戲，都會(huì)支持 ArmV8.2 的。但是在我實(shí)際的測(cè)試當(dāng)中，最新的 Burst 實(shí)際上可以直接生成 ArmV9.0 的指令。但是在當(dāng)前，你想要使用一定要去手寫它。不過它帶來的性能提升，其實(shí)還是比較明顯的。特別是你去做一些展開，利用指令級(jí)可以得到更高的性能提升。

二是 float4×4 的轉(zhuǎn)置。對(duì)于轉(zhuǎn)置計(jì)算，可以看到 mathematics 生成的 assembly code 看起來性能是非常低的，通過手寫 neon intrinsics 就可以得到一個(gè)巨大的性能提升。如果只是純粹的需要轉(zhuǎn)置，可以直接使用交錯(cuò)讀，這樣可以得到更快的性能。這里這樣實(shí)現(xiàn)因?yàn)樵谝话愕膶?shí)際使用中，是通過對(duì) 4 個(gè) float4 轉(zhuǎn)置來將點(diǎn)乘變成矢量乘。但是在實(shí)際的使用當(dāng)中，因?yàn)?mathematics 的代碼一般被內(nèi)聯(lián)到具體的上下文當(dāng)中，最終生成的 assembly code 相對(duì)于你自己的單元測(cè)試差別會(huì)非常大。所以在具體優(yōu)化時(shí)還需要根據(jù)代碼的上下文進(jìn)行具體的優(yōu)化，可以結(jié)合 burst inspector、真機(jī)測(cè)試和 Arm 的優(yōu)化手冊(cè)，來具體針對(duì)你的項(xiàng)目做出一些性能之間的比較和修改。

碰撞檢測(cè)模塊

首先要回答一個(gè)問題，就是 Unity 已經(jīng)有基于 physx 的一套非常成熟的物理模塊了，我們?yōu)槭裁匆撾x Unity 成熟的物理模塊重新開發(fā)呢？

因?yàn)椤稇倥c深空》有相當(dāng)多不同種類的玩法，玩法間的 layer 設(shè)置相對(duì)獨(dú)立，有些模塊比如戰(zhàn)斗，希望需要有特殊的 Trigger 觸發(fā)和退出機(jī)制，并且希望在底層就能夠支持，對(duì)于執(zhí)行流程也希望有更靈活的控制。我們?cè)谛阅芴剿魃希灿幸恍┳约旱南敕ā＞褪钦f在僅需要碰撞測(cè)試的情況下，我們利用 DOTS 能否提升它的性能？

在《戀與深空》的實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，我們的碰撞檢測(cè)模塊基本實(shí)現(xiàn)了 Unity 原生的所有碰撞查詢功能，針對(duì)戰(zhàn)斗和其他模塊我們定制了 Update 和 Trigger 相關(guān)邏輯。并且對(duì)于查詢接口，在底層就保證了線程安全，讓上層可以無負(fù)擔(dān)調(diào)用。結(jié)合 DOTS 進(jìn)行輕量化的實(shí)現(xiàn)，以及結(jié)合一些實(shí)際需求的優(yōu)化，在性能測(cè)試當(dāng)中我們最高獲得了 15% 的性能提升。下方視頻是戰(zhàn)斗當(dāng)中的一些錄屏，整個(gè)角色的移動(dòng)、技能命中，都是用我們自己的碰撞檢測(cè)模塊來實(shí)現(xiàn)的。

查詢流程示例。下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例。由于真機(jī)上我們實(shí)際的線程數(shù)量是固定的為 4，所以對(duì)于 memory allocator 可以預(yù)先按照線程數(shù)量分配好，在分配時(shí)可以直接根據(jù)當(dāng)前線程索引來獲取所需的內(nèi)存。我們使用基于 SAH 的 dynamic bvh 作為 broadphase 加速結(jié)構(gòu)，在插入、刪除以及超出范圍的移動(dòng)時(shí)，對(duì)當(dāng)前操作節(jié)點(diǎn)的鄰近的幾個(gè)層級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平衡。因?yàn)榕鲎矙z測(cè)的功能目標(biāo)相對(duì)概括，對(duì)于精度要求沒有那么高，所以我們也適當(dāng)?shù)臓奚恍┚群?jiǎn)化了一些碰撞檢測(cè)算法來提升性能。

為了滿足戰(zhàn)斗模塊的需要，我們還設(shè)計(jì)了特殊的 trigger 觸發(fā)邏輯，觸發(fā) Trigger的進(jìn)入和退出必須要成對(duì)出現(xiàn)，可以看到下方的流程示意圖，在 A 觸發(fā) B 的函數(shù)中移除 B 后，會(huì)觸發(fā)所有和 B 存在 overlap 的 collider。這里是和 Unity 原生的不一樣的，原生的 Unity 中在 trigger 邏輯中刪除掉 B 是不會(huì)觸發(fā)其它碰撞體的 trigger的。最后，我們通過 History 計(jì)數(shù)來標(biāo)記 collider 的版本，解決戰(zhàn)斗中角色或碰撞體等道具的復(fù)用可能會(huì)導(dǎo)致的一些潛在問題。

我的分享結(jié)束了。謝謝大家！

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