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行业 | 如何优化汽车仪表盘以实现高效渲染?

2019年09月29日 文章来源:网络整理 热度:130℃ 作者:刘英

“只是简单的刻度盘!他们怎么能够设计的这么糟糕?”信不信由你,这个问题我已经提到过很多次了。

如果你想知道我们究竟在说什么,请看下文。

我们所谈论的是数字仪表盘上的刻度盘,我们可以在越来越多的现代汽车上找到它。自上世纪80年代首次设计出现,这种数字式仪表盘现在又重新流行起来,这是未来发展的趋势。数字仪表盘比传统的刻度盘能够提供更精确、更丰富而且更加清晰的信息。它可以是自适应的、动态的,准确的显示驾驶员在任何时刻需要看到的信息。如果得到制造商的许可,仪表盘还可以根据驾驶员的个人喜好进行定制。它们也可以看起来非常的酷炫,这在当今时代是非常重要的。

与其他数字显示器一样,这些数字仪表盘需要GPU来驱动,作为汽车领域的主要参与者,Imagination提供的解决方案已经在行业得到了广泛的应用。

当组装一台新的汽车时,OEM厂商就会使用最新的GPU来测试他们的数字仪表盘设计——这就回到了我们的问题——刻度盘。事实是这些仪表盘在几何形状方面往往设计得很糟糕,刻度盘是最糟糕的设计之一。

让我解释一下,正如你所期望的那样,这些刻度盘需要完全是圆形的。事实上在一些社区中任何不是圆形的设计都被认为是不太好的品味,而且在汽车行业肯定是不被接受的。

而这种圆形的设计是存在问题的,因为创建这种圆形的方法通常会使用非常密集的网格,这将导致在汽车中使用的嵌入式GPU的性能非常差。

这是一个问题,为了解决这个问题,GPU往往会被过度的设计,相比最开始简单的刻度盘设计需要更强大的性能。

怎么会变成这样呢?我的理解是这样的:

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从本质上讲简单的在设计中添加更多的三角形是解决圆度问题最简单的方法,因为这种方式不仅可以创建资源,还可以集成到现有的渲染程序中去。因此我们看到很多厂商这样做,但是正如上文所述,一旦采用了这种方式就不可避免的出现性能低下的问题,而硬件是首当其冲。

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如下图所示:左边的刻度盘是圆形的,但是不够完美,我们要想将其设计的更圆(见上图),太棒了完成了,那么就让我们看看新设计的刻度盘:

行业 | 如何优化汽车仪表盘以实现高效渲染?

仔细观察下右图中的线框,我们可以看到它采用了更多的三角形(总共超过了一万个三角形),但问题不在于三角形数量,而是低端的GPU也要能够以相当快的速度来处理一定数量级的数据。

真正的问题是密度:在只有几个像素大小的区域内聚集了大量的三角形,GPU的设计是为了加速三角形的渲染速度,而且这些三角形会跨越不同的像素区域——但我们这里的问题正好相反,这就导致了严重的性能损失。

不仅刻度盘渲染的很慢,而且会产生严重的重叠效果,每条边和每个斜面都会呈现比较粗糙甚至重叠的效果,这种问题唯一合理的解决方案是使用多样本抗混叠技术Multi-Sample Anti-Aliasing (MSAA)来处理,这就使得渲染过程的处理速度变得更慢。

超越几何模式

一个好消息是刻度盘实际上是一个非常简单的几何图形,从一个角度来看通常是非常平整的。因此它可以很容易的近似看作是一个简单的透明纹理的四边形,本质上预先计算所有几何图形和光照资源GPU可以非常容易的处理这些任务,额外的好处是纹理部分可以很容易的进行调整,使边缘变得非常平滑,从而不需要依赖MSAA技术。

行业 | 如何优化汽车仪表盘以实现高效渲染?

透明的四边形

这种在透明四边形上的纹理处理方式如上图所示,虽然这种渲染在成本上很低,但是有几个潜在的问题可能需要处理,当然这取决于设计师希望达到的质量:

整个对象必须使用透明度(通常不推荐),即使实际上只需要使用一小部分

刻度盘周围的整个区域是完全透明的,透明部分的像素可以进行栅格化处理并通过着色器处理,这难免会有些浪费。

当放大时我们可以看到线框,这在某些情况下是可以接受的

光照完全是内置的,如果需要更加逼真的效果可能就是问题

我们可以通过使形状更圆一些来减少浪费的像素,这本质上是像素和顶点数之间的权衡,一个镶嵌式的圆盘可能会更加接近原始形状,并且需要更少的透明度。在实践中没有必要在定点数方面做得太高,十来条边就足够了。

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透明的圆盘设计

在这种情况下几何体的数量仍然是非常合理的,并且我们成功的消除了几乎所有浪费的透明空间。

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