在次世代实时渲染领域,Unreal Engine 5的Nanite无疑是一项具有革命性意义的技术。它将传统的多边形管理思路彻底颠覆,使得电影级别、包含数百万三角形的资产在实时引擎中变得可行,而不会像以往那样因为多边形数量、绘制调用和内存带宽而付出难以承受的性能代价。理解Nanite的核心理念、实现机制与实际影响,对于游戏开发者、实时可视化工程师和数字艺术家来说都至关重要。下面将分几个层面来解析这项技术的细节与价值。 Nanite的核心思想是将"可见性"作为渲染决策的第一要素。传统渲染管线通常把所有网格数据预先上传到GPU,基于实例剔除和视锥体裁剪决定哪些物体需要被绘制,再通过层级细分或手动LOD来控制几何复杂度。
相比之下,Nanite把几何视作可以像虚拟纹理那样进行虚拟化的数据流。只有那些对当前视点真实可见、并且对最终像素有影响的细节才会被流入内存并参与光栅化,从而大幅降低渲染开销并减轻内存压力。 在实现层面,Nanite首先把网格按照紧凑的聚簇结构组织,每个聚簇通常包含固定数量的三角形,并为每个聚簇计算包围体。这一做法使得视锥裁剪和遮挡剔除能够在更细粒度上运行,不再只是针对整个物体或实例,而是对聚簇级别判断可见性。与此同时,系统为每个聚簇构建了一棵二叉LOD树,父节点代表经过简化的几何形状,子节点则保留更高细节。在渲染时,Nanite会基于屏幕空间投影误差选择"截断"树切面,动态确定哪些节点需要细致呈现,哪些可以使用简化版本或直接被剔除。
这种按需流式加载的逻辑类似虚拟纹理的思想,但在几何层面面临更多挑战。纹理的金字塔式mip链可以通过滤波和采样轻松实现,而几何的简化与重建在保证视觉一致性方面更为复杂。Nanite通过预处理步骤生成适当的聚簇与LOD树,并在运行时维持相对小且高效的工作集,从而既能呈现极高的视觉细节,又能保持帧时间的可控性。 另一个关键点是Nanite在遮挡剔除上的细粒度能力。传统引擎通常只能剔除完全被遮挡的物体或使用粗粒度的体素化遮挡结构,而Nanite能够在聚簇层面判断遮挡,这意味着交错或相互穿插的几何部分可以被部分剔除,从而大幅减少过度绘制。Epic在"Valley of the Ancient"演示中展示了这一能力,场景中由Megascans等高细节资产堆叠出的复杂地形和岩壁,依靠Nanite的聚簇遮挡剔除和流式LOD,仍能在主机上达到流畅表现。
尽管如此,Nanite的遮挡机制并非完美。在场景中大量近距离、相互靠近的表面层叠会增加遮挡计算复杂度,导致过度绘制增加。在某些极端示例中,Nanite在这种"堆栈式"重叠内容上会比其他场景代价更高,开发团队观察到性能可能会有不小波动。但总体来看,Nanite的成本仍能主要随屏幕分辨率而非场景的总体多边形数线性扩展,这对实时渲染的可预测性具有重要意义。 在光栅化策略上,Nanite采用了一种混合方案,结合了硬件和软件光栅化路径。针对绝大多数像素级的小三角形,Nanite使用专门优化的软件光栅化器来处理,这在微多边形场景下能比传统硬件原语着色器路径获得更高效率。
对于较大的三角形,传统硬件光栅器仍然高效,因此Nanite会在聚簇级别决定采用软件还是硬件光栅化。与现代GPU的原语着色器相比,Nanite的实现平均可达到更快的光栅化速度,特别是在纯微多边形的情形下优势更为明显。 材质和渲染管线也为Nanite进行了适配。为了避免在光栅化阶段频繁切换shader或对被遮挡像素执行昂贵的材质计算,Nanite把可见性与材质计算分离开来。系统先构建可见性缓冲区,然后在一个或少量的材质通道中对可见片元进行批量化的延迟材质计算。这样的设计既减少了绘制调用,也避免了为不可见像素浪费材质评估时间,因此与Unreal Engine的延迟渲染流程能很好地结合。
对于艺术家与内容制作团队,Nanite带来了显著的工作流程变革。以往在创建环境资产时,开发者需要根据平台目标不断优化模型、烘焙法线贴图、手工制作多级LOD以及管理绘制调用。Nanite让艺术家能够直接使用高保真、电影级别的扫描或高多边形模型,同时通过后处理的聚簇与LOD体系保持实时可渲染性。这意味着更多细节可以以原生几何形式保留,而不是依靠法线贴图来伪造凹凸效果,从而在近景和极限镜头下都能保持一致的视觉质量。 当然,Nanite并非适用于所有类型的内容。当前实现尚不支持半透明或掩膜材质、非刚体形变(如骨骼动画)、细粒度群集如草地或头发以及基于细分或位移的动态细节。
对于那些需要动画变形或复杂透明效果的对象,仍然需要传统网格和渲染策略的配合。Epic也明确将Nanite作为补充工具,旨在改变静态高细节环境与大规模实例内容的呈现方式,而不是完全替代现有技术。 从性能角度来看,Nanite展现出了令人瞩目的效率。对于常见的4K上下采样与时间抗锯齿(TAA)场景,Nanite的几何剔除与光栅化阶段在现代主机硬件上可以占用非常短的帧时间,随后材质应用阶段成为主要成本项,而材质阶段的开销又可通过合并材质通道与减少材质数量来优化。总体而言,Nanite把几何复杂度带来的成本转化为可控的屏幕分辨率相关开销,使得开发者可以更专注于材质质量与光照效果的打磨。 在资产存储与分发方面,Nanite采用专有的压缩格式来减小磁盘占用并优化流式加载。
几何数据在磁盘上的组织方式决定了运行时的流畅度与内存占用,良好的预处理流程能够显著提升加载与渲染效率。对于大型开放世界或需要动态加载复杂场景的项目,正确配置Nanite的流式策略与LOD截断阈值是一项需要平衡体验与性能的工程工作。 实践中,开发团队应当把Nanite视为一个强大的工具,而非一个"一键式"的解决方案。场景设计仍然需要考虑遮挡结构、材质池的组织以及需要兼容的渲染效果。对于那些依赖于透明材质或高度动态变形的对象,可以采用混合策略:静态环境使用Nanite呈现高细节几何,而动态角色、树叶、草等则使用传统网格与实例化方法处理。通过这种混合渲染策略,既能发挥Nanite在静态细节上的优势,又能保持对动态内容和特殊材质的支持。
长期来看,Nanite代表着实时渲染向电影级细节靠拢的重要一步。随着硬件能力的提升和更多渲染路径(例如前向渲染)的适配,Nanite的生态有望扩展到更广泛的应用场景。对于实时影视、虚拟制作、建筑可视化以及高保真游戏开发,Nanite所带来的工作流程简化与视觉一致性价值巨大。 总之,Unreal Engine 5的Nanite通过将几何虚拟化、细粒度遮挡剔除、混合光栅化与延迟材质评估结合起来,提供了一种面向未来的实时几何呈现方式。它让艺术家能够使用更高保真的原始模型,同时赋予开发者更可预测的性能曲线。虽然在透明材质、动态变形等方面仍有局限,但在静态环境与高密度实例化场景中,Nanite已经展现出改变实时渲染范式的潜力。
对于希望在次世代平台上追求更高视觉真实感的团队而言,理解并合理采纳Nanite,将是通往下一代沉浸式体验的重要一步。 。
