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![[CEDEC2018] UE4で多数のキャラクターを生かすためのテクニック](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/cedec2018charcterperdormanceoptimze-180823081028-thumbnail.jpg?width=600&height=600&fit=bounds)
Unityではじめるオープンワールド制作 エンジニア編
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2019/9/5に開催されたCEDEC2019の講演スライドです。 講師：山村達彦（ユニティ・テクノロジーズ・ジャパン合同会社） ：大下岳志（ユニティ・テクノロジーズ・ジャパン合同会社） Unityのイベント資料はこちらから： https://www.slideshare.net/UnityTechnologiesJapan/clipboards
Unity Technologies Japan K.K.
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Unityではじめるオープンワールド制作 エンジニア編
- Unityではじめるオープンワールド制作 エンジニア編 Tatsuhiko Yamamura @ Unity Takeshi Oshita @ Unity
- Unityではじめるオープンワールド制作 /2 アーティスト編 エンジニア 編 広域で大量のオブジェクトを扱うオープンワールド風フィールドをUnityで、 どう作る？ どう動かす？
- オープンワールド風な世界を表現したい 広いステージ 多いオブジェクト スムーズな ロード・アンロード
- を、モバイルで。
- DOTS （Data-Oriented Technology Stack） • ECS • オブジェクトの管理と処理の制御 • JobSystem • 並列処理 • Burst • 高速なアセンブリを出力するコンパイラ •連続して同じ処理を行いたい •素早くオブジェクトを集めたい •並列で処理したい •データを効率的に処理したい
- 最終的な結果 広いステージ 多いオブジェクト スムーズな ロード・アンロード 1km ✕ 1kmの広域を表現 合計20万 Entity (4万LOD） メインスレッドのスパイク2ms以下
- LODの切り替えが酷いのは自分の手抜き
- • 超広域マップにおける誤差問題は 今回はノータッチ • ECSベースの 物理演算（Unity Physics）は未使用 ColliderはGameObjectで配置 • キャラクターの挙動制御は 従来のMonoBehaviourを使用 なお…
- 構成はハイブリットECS キャラクター挙動 物理演算 ステージロード プレイヤー 座標 オブジェクト配置 カメラ制御 UI GameObject ECS 大量のオブジェクト 制御に強力 個別制御の 実装が簡単 描画
- 1.ECSベースのシーンへ変換 2.シーンをロード 3.広範囲を描画 4.その他、モバイル対策 今回の話
- • 大量のGameObjectは嫌なので、 Entityに変換 • シーン上に配置したオブジェクトの 配置を、そのまま使用したい • Sceneエディターを使いたい GameObjectからECSへ変換
- ECSとGameObjectではデータが異なる GameObject Translation Mesh Renderer Transform Mesh Filter Rotation Scale RenderMesh Transform Matrix Entity Position Scale Rotation Mesh Material Shadow Lighting
- 対応するコンポーネントへコンバート Translation Rotation Scale RenderMesh Transform Matrix EntityGameObject Mesh Renderer Transform Mesh Filter Position Scale Rotation Mesh Material Shadow Lighting Conversion System Conversion System
- GOからEntityへ変換するシステムを用意 変換するGO一覧から 「Light」を持つモノを抽出 LightComponentを 作り中身を埋める Entityに LightComponentを登録
- パッケージの幾つかはコンバーターに対応UnityPhysics Rigidbody Collider PhysicsBody PhysicsShape HybridRenderer MeshRenderer LODGroup Light LightComponent MeshLODGroup Component RenderMesh 変換前 変換後
- ConvertToEntityでGOからEntityへ変換 • GameObjectをEntityへ変換 • 既存のコンポーネントを活用する場合は コチラを使用する e.g. Translationの位置でAnimatorのパラメーターを変更する等。 TranslationはECSで計算し、結果をAnimatorに注入する
- ConvertToEntityワークフロー EditorDisk Scene GameObjects GameObjects Entities/ ComponentGame GameObjects Entities/ Component • 実行時にGameObject毎に変換処理 • 量が多いと困る事も Convert Convert GameObjects
- • エディターでGameObjectをEntityへ変換 • ECSのEntity/Componentエディターという立ち位置も • SubScene以下のオブジェクトは 全てEntityへ変換される SubSceneワークフロー
- SubSceneワークフロー EditorDisk Scene GameObjects GameObjects Game GameObjects Entities/ Component Convert
- SubSceneワークフロー EditorDisk Scene GameObjects GameObjects Entities/ Component SubScene Save Game Convert GameObjects GameObjectを変換し SubSceneとして保存
- SubSceneワークフロー EditorDisk Scene GameObjects GameObjects Entities/ Component SubScene Entities/ComponentsLoad Merge Game GameObjects エディターで結果を確認するため 現在のワールドにオブジェクトを登録 GameObjectをデシリアライズせず 画面のプレビューが可能
- SubSceneワークフロー EditorDisk Scene GameObjects GameObjects Entities/ Component SubScene Save Game Convert GameObjects SubSceneの内容を変更したい場合、 元となるGameObjectを編集
- SubSceneワークフロー EditorDisk Scene GameObjects GameObjects Entities/ Component SubScene Entities/Components Game GameObjects Entities/ Component Merge Load ゲームプレイ時も 同じデータを使用
- サブシーン変換手順
- 変換後のファイル SubSceneデータ本体 SubSceneが参照するデータ （大体がアセットを参照する用途）
- 全部を含めると広域をロードしすぎる・・・ Root OBJ 1 OBJ 2 OBJ 3 OBJ 4 OBJ 5 OBJ 6 OBJ 7 OBJ 8 …
- fff f f f SubScene (0, 0) SubScene (1, 0) SubScene (2, 0) SubScene (2, 1) SubScene (2, 2) SubScene (1, 2) SubScene (0, 2) SubScene (1, 1) SubScene (0, 1) グリット毎にGOを分割してSubSceneに変換 Root1 OBJ 1 OBJ 2 Root2 OBJ 3 OBJ 4 Root3 OBJ5 OBJ 6 Root4 OBJ 7 OBJ 8 …
- •All Game Object 約 1分35秒 •ECS 約 8秒 ゲームプレイ開始までの時間も短く ECSでもSubScene編集時は 開いているオブジェクトの数だけ 起動時間が伸びる
- コンバーターは無ければ変換されない GameObject Translation Rotation Transform Matrix Renderer TreeTag Mesh Renderer Transform TreeTagC Mesh Filter Grid LOD Generator Scale Convert Convert Convert • 変換先がなければ コンポーネントは パフォーマンスに 影響を及ぼさない • オブジェクトに拡張 用コードを登録しても 特に問題は無い
- Entity ≒ オブジェクト？ Entity Translation Rotation Collider Entity Translation Rotation Collider Entity Translation Rotation Collider Player Entity Translation Rotation Collider
- Entity毎にコンポーネントが纏められるように見えるが… var pos = EntityManager.GetComponentData<Translation>(entity); Entity Translation Rotation Collider Entity Translation Rotation Collider Entity Translation Rotation Collider Entity Translation Rotation Collider Entity Translation Rotation Collider Rigidbody Rigidbody
- オブジェクト間のメモリは連続して置かれる Translation Translation Translation Translation Translation RotationRotationRotationRotationRotation Health Health Health RigidbodyRigidbodyRigidbody Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix Renderer Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Renderer Renderer Player Enemy Enemy Translation Rotation Health Rigidbody Transform Matrix Renderer Enemy Tree Tree Translation Translation RotationRotation Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Tree Tree
- 実態は構造体の配列 Translation Translation Translation Translation Translation RotationRotationRotationRotationRotation Health Health Health RigidbodyRigidbodyRigidbody Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix Renderer Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Renderer Renderer Player Enemy Enemy Translation Rotation Health Rigidbody Transform Matrix Renderer Enemy Tree Tree Translation Translation RotationRotation Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Tree Tree Array[] Array[]
- EntityはデータにアクセスするためのID Translation Translation Translation Translation Translation RotationRotationRotationRotationRotation Health Health Health RigidbodyRigidbodyRigidbody Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix Renderer Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Renderer Renderer Player Enemy Enemy Translation Rotation Health Rigidbody Transform Matrix Renderer Enemy Tree Tree Translation Translation RotationRotation Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Tree Tree Entity Array[] Array[]
- 配列にIDを渡して参照するイメージ Translation Translation Translation Translation Translation RotationRotationRotationRotationRotation Health Health Health RigidbodyRigidbodyRigidbody Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix Renderer Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Renderer Renderer Player Enemy Enemy Translation Rotation Health Rigidbody Transform Matrix Renderer Enemy Tree Tree Translation Translation RotationRotation Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Tree Tree TransformMatrix [ Entity ]
- Chunk Chunk Chunk コンポーネントの組み合わせでチャンクを分割 Translation Translation Translation Translation Translation RotationRotationRotationRotationRotation Health Health Health RigidbodyRigidbodyRigidbody Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix Renderer Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Renderer Renderer Player Enemy Enemy Translation Rotation Health Rigidbody Transform Matrix Renderer Enemy Tree Tree Translation Translation RotationRotation Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Tree Tree 実際にはChunkという単位で分割
- チャンク単位でのアクセス Translation Translation Translation Translation Translation RotationRotationRotationRotationRotation Health Health Health RigidbodyRigidbodyRigidbody Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix Renderer Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Renderer Renderer Player Enemy Enemy Translation Rotation Health Rigidbody Transform Matrix Renderer Enemy Tree Tree Translation Translation RotationRotation Transform Matrix Transform Matrix Renderer Renderer Tree Tree Chunk Chunk Chunk 「特定の組み合わせ」を持つデータを素早く取得
- ArchetypeArchetypeArchetype • Chunk （データ構造） • Entity （チャンク内のデータにアクセスするキー） • Archetype （Entityが持っているデータの組み合わせ） • Shared Component Data （複数のEntityから参照できるデータ） SubSceneの中身 Chunk Chunk Chunk Chunk Shared Component Data Type Manager Entities
- ArchetypeArchetypeArchetype • Chunk （データ構造） • Entity （チャンク内のデータにアクセスするキー） • Archetype （Entityが持っているデータの組み合わせ） • Shared Component Data （複数のEntityから参照できるデータ） SubSceneの中身 Chunk Chunk Chunk Chunk Shared Component Data Type Manager Entities SubScene
- “実際にゲームでロードする流れ”
- • ロードとアンロードを早くしたい • メインスレッドに対して負荷を掛けたくない どうしたいか Load UnLoad Loaded SubScene 早ければ、近くでロードしても間に合う ゲーム進行を止めたくない
- • SubSceneのAutoLoadSceneにチェックを入れる （簡単） • SceneDataを持つEntityにRequestSceneLoadを追加 （距離に応じて段階的にSubSceneをロード・アンロードしたい場合等） どうやってロードするのか？ or OR
- Terrain＆他 SubScene 0.8秒 3.7秒 ＆Terrain＆他 GameObject 8.2秒
- 約２0万Entity メインスレッドの負荷 約２ms以下 ※ShaderCompile、Colliderの生成は除く
- SubScene ロードすべきもの ArchetypeArchetypeArchetype Chunk Chunk Chunk Chunk Shared Component Data Entities アセット郡 Prefab
- チャンクのロード Chunk Chunk Chunk ArchetypeArchetypeDisk
- チャンクのロード Chunk Chunk Chunk ArchetypeArchetypeDisk Chunk MemCopy ほぼコピーするだけ
- SubSceneB ChunkはSubScene毎に独立している SubSceneA Chunk Chunk Chunk Chunk SubSceneID (B) SharedComponentData SubSceneID (A) SharedComponentData チャンクが独立しているので、 既にあるChunkに値をマージはしなくても良い
- マネージドメモリを挟まずデータをロード
- Assets SharedComponentData • Shared Component Dataが参照する Prefabを経由してアセットを参照 • 通常と同様のアセット読込 アセットのロード RenderMesh SubSceneRenderMesh RenderMesh Prefab
- Strage 読込はAyncUploadPipelineを活用 Memory VRAM Strage Memory VRAM ヒープに読み終わるまで待機 リングバッファ分を読込 アップロード完了まで待つ 固定タイムスライスで 少しずつアップロード AUP無し AUP 非同期読込 非同期読込
- Entityのロード Entities Entities Staging World Main World 使用できるEntityに間隔がある
- Entities Entities EntityのIDをリマップ Staging World Main World Remap
- Main WorldにEntityをマージ Entities Entities Staging World Main World Remap
- SubSceneを非同期でロード Main World Staging World Staging World Staging Wor
- SubSceneを非同期でロード Main World Staging World Staging World Staging Wor Load Request
- SubSceneを非同期でロード Main World Staging World Staging World Staging Wor Load Shared Components Load Entities ECS Data Load Async Load Async メモリ的に独立してるので 別スレッドでも無問題
- SubSceneを非同期でロード Main World Staging World Staging World Staging Wor Load Shared Components Load Entities ECS Data Move メインワールドに統合 マージだけなので 短期間で終わる
- SubSceneのアンロード SubSceneBSubSceneA Chunk Chunk Chunk Chunk SubSceneID (B) SharedComponentData SubSceneID (A) SharedComponentData SubSceneIDを参照しているチャンクを開放する
- “ロード終了、次は描画周り”
- • 全体で4万LOD • 遠い距離のオブジェクトも表現 • ついでにポリゴンも多い （初期画面、1200万ポリゴン） たくさんのオブジェクトを表現したい
- • ECSで使えるレンダラー • 同じタイプのメッシュを連続して描画（バッチング） • カリング、LOD、HLOD付き • MeshRendererとMeshFilterからの変換 • 描画はBatchRendererGroupを使用 ハイブリットレンダラー
- MeshRendererを変換したEntity Translation Rotation Scale LocalToWorld Matrix RendererMesh Render Bounds WorldRender Bounce Entity Transform Transformから得られる行列 描画判定の大きさ 実際の描画判定 描画するメッシュの情報
- 描画のバッチング Translation Rotation Scale Transform Matrix RendererMesh Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix RendererMesh RendererMesh RendererMesh RendererMesh RendererMesh RendererMesh RendererMesh Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds Render Bounds Render Bounds Render Bounds Render Bounds Render Bounds Render Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds
- ChunkChunk 描画のバッチング Translation Rotation Scale Transform Matrix RendererMesh Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix RendererMesh Render Bounds Render Bounds Render Bounds Render Bounds Render Bounds Render Bounds Render Bounds Render Bounds RenderMeshの種類でチャンクを分割 WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds
- ChunkChunk 描画のバッチング Translation Rotation Scale Transform Matrix RendererMesh Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix RendererMesh Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds WorldRender Bounds 一気に描画（最大1023インスタンス） Render Batch Render Batch
- 描画したいオブジェクトが交互に配置されている … RenderMesh 異なるメッシュの草が交互に配置
- 通常の描画 … 青を描画 赤を描画 青を描画 赤を描画 青を描画 見える範囲
- RenderBatchで描画している場合 … 青を描画 赤を描画 青を描画 赤を描画 青を描画 Chunk RendererMesh（青） Chunk RendererMesh（赤） バッチングが優先される
- Instancingが有効なら、よくまとまる … 青をまとめて描画（Instancing） 赤をまとめて描画（Instancing） Chunk RendererMesh（青） Chunk RendererMesh（赤） ※半透明の描画は 注意が必要
- • 親子構造で動く事は無い • バウンディングボックスを 更新しなくても良い ステージのオブジェクトは （ほぼ）動かない 動かない 動かない 動かない 動く
- オブジェクトの親子構造 Root Grid1 LOD LOD0 LOD1 LOD2 LOD LOD0 LOD1 LOD2 Grid2 ワールド座標を決める為に 親の座標を知る必要 描画されるべき範囲を決めるため ワールド座標が必要
- オブジェクトの親子構造をフラットに Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix Translation Rotation Scale Transform Matrix RendererMesh Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds WorldRender Bounds Render Bounds WorldRender Bounds Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix RendererMesh WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds
- ステージの親にStaticOptimizeEntityを追加 Root Grid1 LOD LOD0 LOD1 LOD2 LOD LOD0 LOD1 LOD2 Grid2 子オブジェクトに対して最適化
- チャンク単位でバウンディングボックスを設定 ChunkBounds Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix RendererMesh WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix Transform Matrix RendererMesh WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds WorldRender Bounds
- ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds チャンク毎に 描画範囲を持つ
- ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds チャンク毎に 描画するか 判断できる
- ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds ChunkBounds インスタンス毎のカリングで 画面外を除外
- できるだけ広範囲を描画したい 遠くの小さいオブジェクトも表現
- 視界の範囲を描画 描画されるオブジェクト 描画されないオブジェクト 視界
- 遠距離を描画すると負荷が跳ね上がる 見える範囲が広がると 描画回数も大幅に増える
- 遠距離の描画 結合すれば描画命令は抑えられるが、 描画すべき項目が増えてしまう…
- 遠距離の描画（HLOD） 遠距離では結合したメッシュを表示 1 描画命令 1 描画命令
- 遠距離の描画 カメラを近づけると HLOD結合前のモデルになる
- HLODの構築 LOD 0 LOD 1 LOD 2 HLOD 1 HLOD 0 LOD 0 HLOD用モデルはエディター拡張で作成
- SubScene HLODの段階的ロード HLOD RenderMesh RenderMesh RenderMesh RenderMesh LOD LOD RenderMesh RenderMesh RenderMesh LOD HLOD RenderMesh RenderMesh RenderMesh LOD LOD
- RenderMesh RenderMesh RenderMesh LOD LOD RenderMesh RenderMesh RenderMesh Section HLODの段階的ロード セクションで分割 必要に応じてロード SubScene HLOD RenderMesh LOD HLOD RenderMesh RenderMesh RenderMesh LOD LOD
- Sectionの例 HLOD0ロード済 HLOD0を未ロード
- • バッチの特性上、透明は描画順で問題を起こす （奥の透明が手前に描画される事も） • Bakeしたライトマップは使えない LightProbeとリアルタイムシャドウを使う • BatchRendererGroupが SRP Batcherと相性が悪い ハイブリットレンダラーの問題点
- “モバイルで動かそう”
- • CPU的には超余裕 • 発熱やばい • GPUがやばい 動かしてみた iPhoneX
- • Vertex Shaderに72ms • だいたいCutoutのせい • 絵的に許せる物はShaderをTransparentへ • 草をポリゴン切り抜きにしたかった（希望 • トライアングルをLODで減らす 12M → 4Mへ • LODのバイアス 2 → 1 頂点シェーダーの負荷
- https://github.com/Unity-Technologies/UnityMeshSimplifier LOD化されてないメッシュはUnityMeshSimplifireを使用
- • ビルボード • mpostorsを使うと、頂点数を 大幅に減らせる • モデルによっては絵が 破綻する事も Impostors
- • 解像度を減らそう（SRPで） • UIだけ高解像度、ゲーム画面は低解像度 フィルレート
- • 描画処理を 複数のスレッドに分割 Graphics Jobs RenderThread RenderThread WorkerThread WorkerThread WorkerThread
- • 放置すると、あっさり発熱アップ • 熱が上がるとパフォーマンスが下がる • レンダリング頻度をへらす機会を作る • OnDemandRendering.renderFrameIntervalを使う （SRPでレンダリングをスキップする、PlayerLoopを操作する等でも可） 発熱対策
- • GPUを動かさなければ発熱はかなり抑えられる タイミングを見つけてフレームスキップ • ScreenSpaceOverlayのUIはGPUを動かし続ける点に注意
- • 広いステージ • 多いオブジェクト • 早いロード・アンロード まとめ • 効率的なバッチ処理 • 広域描画時に使えるHLOD • 積極的な処理のスキップ • ステージの段階的なロード・アンロード • 高速でスパイクの少ないロード処理 • 多くの処理の並列化
- 1.オブジェクトをシーンに配置 2.SubSceneに変換 3.SubSceneをロード 4.チャンク単位でバッチ描画 5.HLODで描画負荷を減らす まとめ データの塊を動かすスタイルで 色々と面白い最適化が出来る SceneViewで配置するスタイルでも 結構高速で動くモノが作れる
- まとめ ゲーム内で「量が多いオブジェクト」はECSに変換すると効率的 それ以外は今まで通りGameObjectベースで開発してOK！ ECSはデータの管理を便利にしてくれる。 ただ、自分でメモリ管理できるならば、 JobSystemとBurstだけ活用するのも良い選択肢
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