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元宇宙時代的來臨對實時3D引擎提出了諸多要求，Unity作為游戲行業(yè)應用最廣泛的3D實時內容創(chuàng)作引擎，為應對這些新挑戰(zhàn)，提出了Unity云原生分布式運行時的解決方案。LiveVideoStack 2023上海站邀請到Unity中國的解決方案工程師舒潤萱，和大家分享該方案的實踐案例、面臨的問題、解決方式，并介紹了Unity目前對其他方案的構想。
文/舒潤萱
大家好，我叫舒潤萱，現(xiàn)在在Unity中國擔任解決方案工程師，主要負責開發(fā)的項目是Unity云原生分布式運行時。
首先介紹一下Unity。Unity是游戲行業(yè)應用最廣泛的3D實時內容創(chuàng)作引擎。截止2021年第4季度，70%以上移動平臺的游戲是使用Unity開發(fā)的。
但Unity不止是一個游戲引擎，Unity的業(yè)務目前涉及到汽車行業(yè)、建筑行業(yè)、航空航天行業(yè)、能源行業(yè)等等各行各業(yè)。
Unity的業(yè)務在全球都有開展，在18個國家有54個辦公室。在中國，在上海、北京、廣州都有辦公室，在臨港也開了一間新的辦公室。
Unity覆蓋的平臺是最廣泛的，它支持超過20個主流平臺，率先支持了Apple新發(fā)布的vision OS。
我今天的分享將從這六個方面進行。
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元宇宙時代的挑戰(zhàn)
首先，實時3D引擎在元宇宙時代會遇到什么挑戰(zhàn)？
Unity認為元宇宙會是下一代的互聯(lián)網(wǎng)，它將是實時的3D的、交互的、社交性的，并且是持久的。
元宇宙會是一個規(guī)模龐大的虛擬世界，這個虛擬世界里有很多參與者，它將會是一個大量用戶實時交互的場景。同時，元宇宙它必須是一個持續(xù)穩(wěn)定的虛擬世界。
參與者在這個虛擬世界里對它進行的改變將會隨著時間保留下來，并且它是穩(wěn)定的狀態(tài)。這就對實時3D交互造成了很多挑戰(zhàn)。
首先，因為這個虛擬世界將會是一個大規(guī)模的高清世界，里面將會有數(shù)量龐大的動態(tài)元素、靜態(tài)元素，所以它對實時3D引擎提出了渲染的挑戰(zhàn)。
其次，它伴隨著大量的網(wǎng)絡傳輸，對引擎的可擴展性和可伸縮性提出了很高要求，所以對運行平臺來說也是一個不小的挑戰(zhàn)。
最后，因為這個虛擬世界會有超大規(guī)模的物理仿真，用戶將會在其中進行大量的實時交互，所以這對運算資源也是一個巨大的挑戰(zhàn)。
-02-
Unity分布式運行時
為了應對這些挑戰(zhàn)，Unity提出了分布式運行時的解決方案。
這個方案由兩部分組成，第一個部分是Unity云原生的分布式渲染，第二個部分是Unity云原生分布式計算。
首先介紹分布式渲染。要做一個多人聯(lián)網(wǎng)的體驗，可以從最簡單的Server-Client架構入手。如圖所示，在這個架構中有一個中心化的Server，它可以服務于多個Client。這張圖上畫了兩個Client，這是最簡單的架構。
為了對應大規(guī)模的渲染壓力，Unity把用戶的Client端拆成了Merger和Renderer。在這里面，一個Merger對應多個Renderer，這些Renderer將會負責虛擬世界的渲染。我們把一幀的渲染任務拆分成很多個子任務，分別交給這些Render進行。Merger負責把Renderer渲染的畫面組合成最終畫面，之后通過WebRTC推流的方案推給用戶的客戶端。要注意，這里除了用戶的客戶端以外，所有的環(huán)境都是運行在云上的。
圖示為一個最簡單的屏幕空間拆分，即把一個完整的畫面在屏幕空間上拆成幾個部分。除此之外還有其他拆分方式，例如通過時間拆分：假設有4個Renderer，第一個Renderer渲染第一幀，第二個Renderer渲染第二幀，第三個Renderer渲染第三幀……以此類推，再把它們組合成一個完整的序列。
Unity現(xiàn)在也在實驗一個新的拆分方式：在Merger上渲染一個比較高清的近景，再把遠景拆分到幾個Renderer上。Renderer的幾個畫面可以組成一個天空盒推到Merger上，這樣Merger就可以同時擁有細節(jié)比較豐富的近景和遠景。Unity的架構允許開發(fā)者根據(jù)自己的業(yè)務需求定義自己畫面的拆分方式。
回到這個架構圖，想象在一個大型的虛擬世界里，有成千上萬用戶連入運行時，通過分布式渲染，把原本一個進程服務對應一個用戶的場景，拆分成好幾個進程服務于一個用戶，因此這個場景就會對Server提出巨大的挑戰(zhàn)。為了應對這個挑戰(zhàn)，Unity提出了分布式計算。
這種分布式計算把Server拆分成了Server和Remote，用 Remote分擔Server的一些運算壓力。
簡要概述一下Unity是怎樣把計算任務分配給Remote的。Unity游戲的業(yè)務流程可以簡單拆分成數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)叫做Component，數(shù)據(jù)處理器實際上就是業(yè)務邏輯，代碼叫System。每個System有自己感興趣的數(shù)據(jù)，它會讀取這個感興趣的數(shù)據(jù)，通過邏輯進行數(shù)據(jù)更新。
Unity把這個System跑在遠程的機器上，而不是本地，之后把它感興趣的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送給遠程的機器，它就可以像本地處理一樣處理這個數(shù)據(jù)，再把更新的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)回給Server。
視頻編解碼與實時渲染
下面進入今天的正題，視頻編解碼與實時渲染。
為什么要在分布式渲染中引入視頻編解碼？
可以看這個簡化的分布式渲染架構圖。Merger和Renderer之間的通信是通過網(wǎng)絡TCP傳輸?shù)模磮D像是通過TCP傳輸?shù)摹?/p>
這個做法有兩個問題：
一是會遇到網(wǎng)絡帶寬瓶頸，在實時3D交互的場景下，一般至少要Target到1080p60幀。而如果傳的是8 bits RGBA的圖像格式，需要的帶寬是4Gbps，遠遠超出了常見的千兆帶寬1 Gbps，很多機房沒有辦法接受。即使對Raw Data進行YUV420的簡單壓縮，它也要占用約1.6 Gbps的帶寬，超過了千兆。
其次是性能問題。因為Unity的畫面是從GPU渲染出來的，為了通過網(wǎng)絡傳輸這個畫面，要先把GPU顯存上的圖像數(shù)據(jù)先回傳到CPU端。這個回讀就會導致需要暫停渲染的流水線，因為目前Unity優(yōu)化較好的實時3D引擎的渲染都是流水線形式的，即CPU產(chǎn)生場景數(shù)據(jù)，再把這個場景數(shù)據(jù)交給GPU渲染，同時CPU可以進行下一幀的計算。但是如果數(shù)據(jù)是反過來從GPU回到CPU，意味著需要把流水線暫停，包括GPU、CPU上的所有任務都要等待回讀完成之后才能繼續(xù)工作。
這里截取了一張Unity的回讀指令，它消耗的時間是7.22毫秒，在實時交互的場景下，希望做到的是60幀的體驗，即16毫秒，因此用7.22毫秒的時間把這張圖片讀回來是無法接受的。
為了解決這兩個問題，Unity為分布式渲染的方案開發(fā)了Unity Native Render Plugin。Unity的目標運行環(huán)境是云端，Linux和Vulkan的圖形API。云端一般配備的是NVIDIA GPU，希望采用NVIDIA GPU進行硬件的視頻編解碼。在這個方案下面，Unity還是負責虛擬世界的渲染和邏輯。FFmpeg負責視頻的編解碼以及把Unity的圖像在顯存內部拷貝給NVIDIA的Video Codec SDK，Unity的插件就是連接這兩個部分以實現(xiàn)目標。
這幾個流程圖展示了Unity一定要硬件編解碼的原因。橙色的框為顯存上的數(shù)據(jù)，藍色的框為CPU端內存上的數(shù)據(jù)。
最左邊的流程圖是最簡單的。如果要傳輸一個Raw Data的方案，在GPU上把圖像渲染完成之后，要通過回讀把它讀到CPU端，這是非常耗時的操作。在讀完這個圖像之后，把它通過TCP發(fā)送給Merger，占用帶寬非常大，這是不可接受的。
如果引入的是一個軟件編解碼的場景，需要圖像的數(shù)據(jù)在CPU端存在。所以回讀還是無法避免，操作仍然十分耗時。在軟件編解碼時進行的編碼和解碼操作，同樣非常耗時。雖然這對視頻來說沒問題，但是對于60幀的實時場景是不太能接受的。但是這個方案的帶寬其實優(yōu)化了很多，因為視頻碼率至少比4 Gbps、1.5 Gbps好很多。這是軟件面板的情況，它最多只是優(yōu)化了帶寬。
最后是硬件編解碼。硬件編解碼是在渲染完成之后，通過顯存間的拷貝，把渲染的結果拷貝到Media的CUDA端，然后做硬件編碼和硬件解碼。雖然是一次拷貝，但是因為是在一張顯卡的顯存上，所以拷貝過程非常快。硬件編碼完成之后，視頻幀數(shù)據(jù)會自動回到CPU端。雖然其本質上也是一次回讀，但是它和流水線無關，相當于是在另一條線上完成的，所以這個回讀消耗的只有從PCIE到CPU到內存的帶寬的速度，回讀的不是一個完整的圖像，而是壓縮好的視頻幀，它的數(shù)據(jù)量也大大減小，所以回讀非常快。之后通過TCP發(fā)送視頻幀，帶寬非常小，在Merger端解碼上傳的Buffer也比原來小，解碼也很快。最后把解碼完成后的Image，Copy 到Vulkan Texture，這也是在同一塊GPU內顯存里的操作。
可以看到，硬件編解碼的流程優(yōu)化了很多，每一步都能得到很高的提升。
介紹一下Unity是怎樣配置FFmpeg的CodecContext的。Unity使用了兩個CodecContext，Video Context是真正用來做視頻編解碼的Context，它是一個TYPE CUDA的Hwdevice。第二個CodecContext用的是Vulkan的Context，這個Context的作用是
和Unity的Vulkan Context進行交互，所以在初始化時不會使用到它默認的API，而是從Unity的Vulkan Instance里面取出了所有必要的信息，把它交給FFmpeg的Vulkan Context，最后通過這種方式，就可以讓FFmpeg的環(huán)境和Unity的環(huán)境存在于同一個Vulkan的運行環(huán)境中。
Video Context做初始化時，沒有用到它默認的Hwdevice Context create的API，用到的是create derived的API。這個API需要傳入另一個Hwdevice Context，它能保證做初始化時和另一個Hwdevice Context使用的是同一個物理GPU，這樣才能真正地做顯存間拷貝。這里選取的邊界碼的格式是H.264，8 bit，NV 12。 為什么要選用這個格式呢？其實是受硬件限制，因為目前NVIDIA硬件不支持10 bit的H.264的解碼。H.265則耗時較大，不太滿足60幀的需求，所以不得不選取這個格式。同時Unity是Zero Latency的配置，GOP的Size是0，保證視頻每一幀都是Intra Frame。這有兩個好處，一是它的延遲非常低。其次，因為分布式渲染在管理的時候可能會隨機丟棄幀，如果有預測幀則不好丟棄，在全是I幀的情況下可以隨機丟棄。
-05-
畫質與性能優(yōu)化
接下介紹Unity在畫質方面和性能方面對插件進行的一些優(yōu)化。
首先是Tone-Mapping。Unity之所以這樣做是因為遇到了Color-Banding問題，這個問題由兩個因素導致：
首先，傳輸?shù)膱D像不是一個普通的SDR圖像，而是HDR圖像；
其次，選取的格式只有8 bit，它導致了顏色精度和范圍都是受限的。
為了理解為什么Unity傳輸?shù)氖荋DR圖像，我給大家簡單介紹一下渲染里面的一幀是怎么生成的。圖示為簡化的渲染過程，真正的渲染過程要比這復雜很多。
渲染過程可以簡單分為三部分：
第一個部分叫Pre-Pass，它的作用是生成后續(xù)渲染階段所需要的Buffer，在這一階段里會預先生成Depth，即預先生成深度緩沖。深度緩沖預先生成最主要的好處就是可以減少Over-Draw，很多被遮擋的物體直接被剔除掉，后續(xù)步驟中就可以不用畫。
第二步是渲染中最主要的一個步驟，我把它叫做Lighting Pass，主要的作用是計算光照，生成物體的最終顏色。這種Pass的實現(xiàn)方式有很多種，例如前向渲染、延遲渲染等。無論是使用哪種實現(xiàn)方式，它的最終目的都是生成一張Color Buffer，即顏色數(shù)據(jù)。
最后一個步驟一般成為后處理Post-Processing。這個步驟的主要作用是對輸出的Color Buffer進行圖像處理。經(jīng)過Post-Processing產(chǎn)生的圖像，顏色比單純的Color Buffer自然很多。Post-Processing里面的效果大部分都是屏幕空間效果，例如要做一個輝光的效果，畫面中有一盞燈非常亮，在它的邊緣會有一些柔和的光效溢出，這個效果基本上就是通過Post-Processing實現(xiàn)的。
屏幕空間效果會有什么問題？在分布式渲染中，渲染任務是被拆分開的，所以真正做渲染的Render的機器，實際上是沒有全屏信息的，它沒有辦法做后處理。
對此Unity的解決方案是將后處理交由Merger進行。Renderer渲染到Color Buffer生成之后，就把Color Buffer傳給Merger，Merger先把這個Color Buffer合起來，再總體做一次后處理。
那么，為什么這一過程中傳的Colour Buffer是HDR的？因為在渲染中，光照模型一般都是物理真實的，所以為了之后做后處理，Colour Buffer本身是HDR的。
如圖所示，這是把Black Point和White Point分成設置成0和1的效果，但是實際上這張圖最高的值可以到90以上。如果是室外的場景，最高值可以到一萬多，所以這張圖的動態(tài)范圍是非常高的。
同時，因為傳的是動態(tài)很高的HDR圖像，加上使用的是8bit的編碼，所以必須找到一個方法把HDR的Corlor Buffer映射為SDR的Buffer。對于這一映射也有一些要求，其一，它需要可逆；其二，它需要保留更大的表示范圍，并且盡量減少精度損失。
Unity在這方面采用的是AMD提出的Fast Reversible Tone-Mapper，它有許多好處： 首先它是Unity SRP原生支持的，是Unity的可編程的渲染管線；其次它是可逆的，如圖是它的公式；再次，它保留的數(shù)字范圍更大，精度損失更小。如圖上這一圖像，y=x可以理解為原始顏色，經(jīng)過Tone-Mapper處理后，它的取值范圍永遠在0~1之間，同時當它的值越小時，斜率越大，代表它能表示的數(shù)字越多，可保留的精度越高。有時在渲染中會遇到顏色值非常高的情況，但這種情況少之又少，更多的還是保留在0~1的范圍區(qū)間內。因此Tone-Mapper能夠幫助我們在0~1這個區(qū)間范圍內保留更多的精度；最后它非常快，在AMD的GCN架構的顯卡下，MAX RGB會被編譯為一個指令，整個運算中只有3個指令，Max、加法和除法，所以它是非常快的。
如圖，可以對比使用Tone-Mapping前后的效果。最左邊是未經(jīng)任何處理的原始圖像；中間是不使用任何Tone-Mapping，經(jīng)過8 bit的編解碼、網(wǎng)絡傳輸，再解碼回來的情況；最右邊是應用了Fast Reversible Tone-Mapping的情況。可以看到里面的背景有很多細節(jié)紋理，代表其中高頻的信息比較多。在高頻信息較多的場景下，應用了Fast Reversible Tone-Mapping之后的效果和原始圖像的效果對比，已經(jīng)看不出什么區(qū)別了。
但是如果場景里低頻的信息較多，例如漸變較多，即使運用了Tone-Mapping，也沒有辦法完全解決這個問題。可以看到，原始圖像上的漸變非常柔和，在無Tone-Mapping的情況下，色帶肉眼可見。但是即使引入了Fast Reversible Tone-Mapping，也只能減緩色帶問題，比起原始圖像而言還是差了很多，目前沒有更好的辦法解決這一問題。
Unity對插件進行性能優(yōu)化的另一個方式是Vulkan同步。因為涉及GPU內部的顯存拷貝，而且它是Vulkan拷貝到CUDA的操作，所以它是一個GPU-GPU的異步操作。異步操作要求開發(fā)人員對于操作做好同步，即在編碼時，要保證Unity渲染完成之后才進行編碼，解碼時要保證解碼完成之后，才能把這張圖像Copy給Unity，讓Unity把它顯示在屏幕上。
Unity Vulkan Native Plugin Interface提供了一種同步方式。這里主要關注框出的兩個Flag：
上面的Flush Command Buffer，指在Unity調用自定義渲染事件時，Unity會先把它已經(jīng)錄制好的渲染指令提交到GPU上，這時GPU就可以開始執(zhí)行這些指令了。
下面的Sync Worker Threads，指在Unity調用自己定義的Plugin Render Event時，會等待GPU上所有的工作全部完成之后才會調用。
這兩個方式組合起來確實能滿足需求，確實可以做到同步，但是這種方式也打斷了渲染流水線。使用這種同步方式，在調用Plugin Event之前，所有程序要全部停下，等待GPU完成操作。因此這個方式雖然能實現(xiàn)同步，但非常耗時。
如圖展示的就是在這個同步方式下的情況。在簡單的場景下，它耗時5.6毫秒。所以這種方式雖然能同步，但是性能非常差。
Unity只提供了上述的同步方式，因此我們只能轉向Vulkan自帶的同步原語。Timeline Semaphore是Vulkan在1.2版本的SDK里提出的新型的Semaphore，它非常靈活，而且是FFmpeg原生支持的。這里是FFmpeg的Vulkan Context的Frame，它通過Timeline Semaphore同步。在FFmpeg里，它主要被用于GPU-CPU同步，但它也可以用于GPU-GPU同步。
Unity提供的同步方式只有上述兩個Flag，它無法直接使用底層的同步原語，但是它允許我們Hook Vulkan的任何一個API，即在 Hook之后，Unity在調用Vulkan的API時，它其實調用的是我們自己定義的Hook的版本，因此我們使用了Vulkan Hook介入Unity的渲染，在Unity把一幀的渲染提交給GPU之前，通過Hook提交的API，把FFmpeg的Semaphore 塞到提交里面，就可以保證在渲染完成之后會通知Timeline Semaphore，F(xiàn)Fmpeg會等Semaphore被通知之后再執(zhí)行。通過這種方式，這個同步也能達成目的，而且不會打斷渲染流水線。
如圖所示，上面為5.6毫秒耗時的情況，下面則完全把這一耗時消除了。因為在這個情況下，不需要在調用Render Event之前就提交渲染指令，而是在GPU上通過Timeline Semaphore和FFmpeg的Command進行同步，因此把這一部分完全省去了。在這個簡單場景中大概有5.6毫秒左右的提升，經(jīng)過測試，在復雜場景中則會有10~20毫秒不等的提升。
另一個性能優(yōu)化方案是多重緩沖，這是渲染中非常常用的技巧。在渲染中，常常會用多重緩沖來減少畫面的卡頓、撕裂等情況，三重緩沖還能夠提高幀率的穩(wěn)定性、提高渲染性能。
多重緩沖的引入會把渲染變成Single Producer, Single Consumer的流水線模型，即渲染流水線。正是因為有多重緩沖，才能形成流水線，讓GPU往一個緩沖中寫入時，CPU可以開始準備下一個緩沖，GPU可以同時往另一緩沖區(qū)寫入下一幀數(shù)據(jù)。
在編解碼的插件中，Unity也引入了多重緩沖來提高性能，使用硬件編解碼代替圖像上屏操作。渲染的圖像沒有顯示在屏幕上，而是通過網(wǎng)絡發(fā)走，這是通過多重緩沖的方式實現(xiàn)的，和渲染有同樣的效果。在引入多重緩沖后，Unity的渲染和編解碼器會分別作為Producer和Consumer進行渲染和編解碼的流水線。
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總結與未來展望
在分布式渲染的解決方案中會遇到網(wǎng)絡帶寬和性能問題。
首先，通過引入視頻編解碼可以解決了網(wǎng)絡帶寬的問題，采取硬件編解碼避免GPU-CPU的回讀，避免打斷渲染的流水線。為了實現(xiàn)這個目標，Unity開發(fā)了Unity Native Rendering Plugin來對接Unity和FFmpeg底層的Vulkan和NVIDIA Codec 的SDK。
因為選取的編解碼格式，方案中還遇到了色帶問題，因此在方案中我們引入Tone-Mapping優(yōu)化畫質，通過FFmpeg自帶的Timeline Semaphore，把Unity的渲染指令和FFmpeg的拷貝指令和編解碼指令進行同步，保證編解碼結果正確。
最后，Unity通過引入多重緩沖提升性能，減少幀率不穩(wěn)的情況。
目前Unity還在探索一些其他的方案。
首先，Unity希望嘗試Vulkan自己推出的Vulkan Vider Extensions。它在2023年1月左右才真正進入Vulkan的SDK，成為一個正式的功能。這個Extension非常新，所以到目前為止Unity還沒有機會進行嘗試，但一直在關注。如果使用這一Extension，就可以完全避免前文所述得到顯存間拷貝、同步等問題。因為這一應用程序沒有引入別的GPU端的運行環(huán)境，完全在Vulkan內部運行，因此我們不需要拷貝，直接使用Unity的結果即可。
其次，Unity在對接其他GPU的硬件廠商，嘗試其他硬件編碼。Unity目前正在和一些國產(chǎn)的GPU廠商對接，他們表示他們的硬件編解碼能力會有所提升，支持的格式不再限制于8 bits了。
最后，Unity還希望嘗試一些要使用GPUDirect RDMA、CXL共享內存等特殊硬件的方案。GPUDirect RDMA允許直接把GPU顯存里的東西直接通過網(wǎng)絡發(fā)走，能夠減少回讀。CXL共享內存，顧名思義是個共享內存，相當于很多臺機器共享一個遠程的內存池，因此它的帶寬和延遲都是內存級別。這一方案至少允許我們在分布式渲染的環(huán)境下不進行視頻編解碼，可以使用Raw Data的方式，把Raw Data存在遠程內存中。
編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
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