Cesium 渲染优化 - Tipsify算法

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于 2025-01-17 18:25:37 发布 · 1.9k 阅读

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#算法 #图形渲染

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在 3D 渲染过程中，顶点数据通常会被频繁访问，如何有效地利用 GPU 的顶点缓存（Vertex Cache）来减少对同一顶点的重复处理，是提升渲染效率的一个重要手段。针对这一需求，业界普遍采用顶点缓存优化算法来重新排序网格的索引数据（Index Buffer），从而尽量让相邻的三角形复用最近使用过的顶点。Tipsify 便是此类算法中的一种常见实现。

1. 为什么需要顶点缓存优化

渲染管线中，GPU 通常会将“最近访问过的顶点”缓存在硬件的顶点缓存中。假设顶点缓存大小为 N，那么如果在绘制三角形时所需的顶点恰好在缓存里，就能省去顶点变换的重复计算，减少 GPU 的负载，从而加快渲染速度。如果对每个三角形都得从头计算一次顶点变换，那么将极大地浪费 GPU 性能。

顶点缓存可以点这里了解一下!

为了让“即将使用到的顶点”更大概率地留在缓存中，需要对网格中的索引（Index Buffer）进行排序，从而让渲染时对同一顶点的访问尽量集中、连续。这种对网格索引的“重排序”过程就被称为顶点缓存优化（Vertex Cache Optimization）。

在 Cesium 等使用 WebGL 或现代图形 API 的 3D 引擎中，顶点缓存优化会显著影响 Tiles / 模型等 3D 几何数据的加载与绘制性能。Cesium 在对模型数据进行处理时，会使用 Tipsify 来进行顶点缓存优化。

关于 Tipsify 算法

熬了几个大夜!

总结来说, Tipsify算法在 GPU三维渲染中发挥了下面几个作用:

顶点缓存优化
对于需要在实时渲染中充分利用 GPU 顶点缓存、减少重复计算的场合（如游戏引擎、3D 地理可视化引擎等），文中的思路可以启示如何更好地对三角形索引进行排序。
网格简化
大规模网格（如城市级建筑模型、电影级别模型）需要在有限的硬件条件下实现渲染或交互，论文所述的顺序化简策略有助于以更高效率减少网格面数，同时尽量保持视觉质量。
纹理坐标保持与优化
对建筑、角色或地理数据进行简化时，保持或改善纹理质量是一个不容忽视的需求。论文针对 UV 参数化的讨论也可以为相关项目提供可行的方法。

废话不多说, 直接上代码, 看看 Cesium 是怎么用的:

基于三个策略：

维护一个活跃列表（这里可以理解为“deadEnd”栈 + 其他辅助逻辑），将可能仍处在缓存中的顶点优先处理。
基于顶点在三角形中的使用情况（numLiveTriangles）来判断哪些顶点还“值得”优先绘制，以尽可能复用缓存。
使用 timeStamp 等启发式 来判断“近期使用”与“尚未使用”的顶点，提升被访问顶点的局部性。

interface VerticeType {
  numLiveTriangles: number;   // 顶点还涉及多少个尚未被绘制的三角形
  timeStamp: number;          // 顶点最近一次被访问的时间戳. 用来做缓存启发式。越新的 timeStamp，表明这个顶点越“活跃”（更有可能还在 GPU 缓存中）。
  vertexTriangles: number[];  // 这个顶点所属的所有三角形索引

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