Как создавать низкополигональные модели для мобильных игр: лимиты полигонов, пайплайн и оптимизация

Вы смоделировали персонажа, экспортировали его в Unity, выполнили сборку для Android — и на Pixel 6 частота кадров составила всего 22 FPS. При этом модель состояла всего из 8 000 полигонов.

Вот о чём вам никто не говорит. Модель персонажа с 8 тысячами треугольников кажется малой. Для десктопной игры это действительно так. Но на мобильных устройствах количество полигонов — не тот показатель, на который стоит ориентироваться. Количество вызовов отрисовки (draw calls) и скорость заполнения (fillrate) сильно снизят производительность вашей сцены задолго до того, как количество треугольников станет проблемой. Модели нужно не просто уменьшение количества треугольников. Ей нужен бюджет производительности и конвейер экспорта, изначально разработанный для мобильных устройств, начиная с самой первой вершины.

В конце этой статьи у вас будет таблица бюджета полигонов, которую можно использовать сразу; пошаговый рабочий процесс от Blender до игрового движка, а также конкретные правила LOD и батчинга материалов, отличающие мобильную сборку от настольной.

Почему мобильные устройства меняют подход к low-poly-математике

Три показателя, которые действительно важны для мобильных устройств

Количество треугольников — это показатель, на который ориентируются новички. Это не тот показатель, который снижает производительность на мобильных устройствах.

«Fillrate» — это бюджет пикселей. Средний GPU Android обрабатывает примерно четверть от производительности настольного GPU за кадр. Одна и та же модель, которая хорошо рендерится на видеокарте RTX, будет перегружать мобильный графический процессор, что означает, что GPU тратит больше вычислительных циклов на пиксель, чем позволяет бюджет. Проблема не в сложности модели, а в том, что она рендерит слишком много пикселей.

Вызовы отрисовки — это команды ЦПУ, отправляемые на ГПУ. Мобильные ЦПУ ограничены по энергопотреблению, а не по тактовой частоте. Вы не можете отправлять на мобильный ГПУ столько же команд отрисовки, сколько на десктопный (ГПУ). Каждый уникальный материал на меше порождает отдельный вызов отрисовки. Главный персонаж с пятью слотами материалов потребует пять вызовов ещё до учёта окружения.

Вызовы Setpass хуже, чем вызовы отрисовки на мобильных устройствах. Когда Unity переключается между шейдерами, это запускает setpass call, который стоит в три-четыре раза дороже, чем стандартный вызов отрисовки. Сцена, которая достигает 80 вызовов отрисовки при 12 вызовах Setpass, работает на 10 кадров медленнее на устройстве Android, чем то же количество вызовов при 2 вызовах Setpass. Сокращение материалов и батчинг поверхностей решает эту проблему до того как количество треугольников становится значимым фактором.

Бюджет производительности для мобильных устройств

Самая большая ошибка начинающих разработчиков мобильных игр — рассматривать аппаратную часть смартфонов как единую целевую платформу. Pixel 7 и бюджетный Samsung серии A — это разные устройства. Вам необходимо предусмотреть дифференцированные бюджеты производительности.

Команда Android Developers представила показательный пример из практики в своей демонстрации Armories, показанной на GAMESCon. Фоновые персонажи в этой демонстрации состоят примерно из 360 треугольников каждый, и вся сцена выдает стабильные 60 FPS на оборудовании среднего уровня. Это не запредельно низкая детализация. Именно так выглядит реальная сцена мобильной игры, когда графика оптимизируется под заданный бюджет производительности.

Бюджет кадра прост. При 60 кадрах в секунду у вас есть 16,6 миллисекунды на кадр. На рендеринг сцены GPU получает примерно половину этого времени. Каждый вызов шейдера вершин, каждый вызов шейдера пикселей и каждый запрос текстуры учитываются в рамках этого окна. Если модель содержит слишком много материалов, процессорная часть не успеет ещё до того, как начнётся рендеринг на GPU.

Технология создания низкополигональных моделей для мобильных игр

Настройка Blender для экспорта на мобильные устройства

Запустите Blender и проверьте масштаб единиц измерения. Откройте Свойства сцены и убедитесь, что Масштаб единиц установлен на 1.0, а Система единиц — Метрическая. Мобильные движки по умолчанию работают в метрах, и несоответствие масштаба между Blender и движком приводит к незаметному снижению частоты кадров из-за интенсивной фильтрации текстур на модели, увеличенной в 100 раз.

Установите пресет экспорта FBX в соответствии с целевым движком. В параметрах геометрии задайте параметр «Сглаживание» как «По граням», чтобы избежать разделения вершин при импорте. Включите галочку «Применить масштабирование» и установите её в значение «FBX Units Scale». Для Unity оставьте ось «Вперёд» как -Z, а «Вверх» — как Y.

Нормали нужно тщательно проверить перед экспортом. Включите Auto Smooth и установите угол на 30 градусов. Это сохранит видимые складки чистыми, не разбивая все грани подряд. Избегайте модификаторов Bevel на моделях для мобильных устройств. Каждый скос добавляет треугольники и создаёт дополнительные разбиения граней при импорте. Вместо этого используйте флаг sharp edge и позвольте движку схлопнуть эти вершины во время сборки.

Постройте полигональную сетку в пределах бюджета треугольников

Топология персонажа на мобильных устройствах подчиняется тем же правилам, что и на десктопе, но запас по отступам меньше. Моделируйте в виде четырёхугольников для деформации и экспортируйте в треугольники для движка. При импорте каждый четырёхугольник разбивается на два треугольника, поэтому считайте полигоны так, как будто реальное количество начинается после триангуляции.

Для вспомогательного NPC с 3 000 tris используйте пропорции «голова-туловище-руки и ноги». На голову приходится примерно 500 tris, на туловище — 1 200, по 300 на каждую руку, по 350 на каждую ногу. Это не жёсткое разделение, но оно заставляет принять решение о том, где распределять детализацию. Лицо с 300 tris и тело с 100 будут выглядеть неправильно. Распределяйте детализацию пропорционально экранному размеру.

Пропсы — это то, на что новички тратят больше всего бюджета полигонов. Простой ящик, фонарь, бочка — ни один из них не требует более 150 треугольников. Моделируйте каждый объект методом box modeling. Если объект выглядит как цилиндр с расстояния камеры, добавьте по шесть дополнительных вершин на каждое горизонтальное ребро, а не 32.

Элементы окружения должны собираться модульно. Создавайте секции стен, плитки пола и основания колонн из одного материала. Храм с 200 элементами стен из одного материала требует 1 вызова отрисовки. Тот же храм с 200 элементами стен из 10 различных материалов требует 10 вызовов отрисовки. Игрок заметит разницу во времени загрузки и плавности кадров.

UV-развёртка для мобильных устройств

UV-развёртка для мобильных платформ подчиняется одному правилу: один UV-остров на материал на модель. Руководство по лучшим практикам создания моделей с чистой топологией, включая стратегию размещения UV-островов, см. в нашем отдельном руководстве. Избегайте разброса UV-островов по текстуре. Один остров для лица и один остров для тела позволяют максимально плотно упаковать текстурный атлас.

Пересекающиеся UV-координаты допустимы на мобильных устройствах, когда две копии одного и того же объекта используют общее пространство текстур. Это экономит память, но работает только тогда, когда два объекта совпадают по вершинам. Камень, продублированный 20 раз и повернутый на месте расположения, может использовать общее UV-пространство. Камень, масштабированный и деформированный, не может.

Для мобильных устройств критичнее использовать текстуры размером со степень двойки (POT), чем для ПК. Используйте размер 512x512 для реквизита, 1024x1024 для второстепенных персонажей и применяйте 2048x2048 только для главных героев. Сэмплеры текстур GPU работают с блоками, размер которых является степенью двойки, а текстуры не кратные степени двойки тратят пропускную способность памяти на заполнение пустот (padding).

Как оптимизировать 3D-модели для мобильных устройств без потери качества

Уменьшение количества вызовов отрисовки с помощью пакетирования материалов

Вызовы отрисовки (draw calls) — это узкое место мобильной производительности, о котором статьи о полигональности почти никогда не упоминают. Один меш с пятью материалами создаёт пять вызовов отрисовки. Пять мешей, использующих один материал, создают один вызов отрисовки. Математика здесь проста до безобразия.

Начните с аудита списка материалов. Каждый PBR-материал, оставленный в сцене, добавляет один draw call на каждом кадре. Объединяйте материалы, если различия между текстурами минимальны. Два камня, использующих разные текстуры коричневого шума, могут использовать один материал с одной шумовой текстурой — зритель не заметит разницы с игрового расстояния.

Статическое объединение Unity Static Batching берёт меш-объекты, помеченные как статические, и объединяет их в более крупные меш-объекты во время построения. Статические объекты, которые никогда не перемещаются, включая стены, полы и крупные элементы окружения, — всё это относится к статическому объединению. Построение занимает на несколько секунд дольше, но время кадра сразу же сокращается.

Инстансинг на GPU обрабатывает идентичные меши иначе. Вместо объединения данных вершин он отправляет GPU команду «отрисовать этот меш в указанных позициях» за один вызов. Деревья, камни и ящики, являющиеся повёрнутыми и масштабированными копиями одного меша, используют инстансинг на GPU. Unity включает его по умолчанию в шейдерах, которые его поддерживают. Проверьте Инспектор материалов, чтобы убедиться, что флажок Enable GPU Instancing установлен.

Практической целью для мобильной игры среднего уровня является достижение менее 100 вызовов отрисовки (draw calls) на кадр. Игры, которые выглядят современно при 300 вызовах на настольном компьютере, требуют упаковки той же сцены в 80 вызовов на мобильном устройстве. Если количество вызовов отрисовки в Unity Profiler превышает 150, вашим первым шагом должно быть объединение материалов, а не уменьшение количества полигонов.

Оптимизация текстур для мобильных устройств

Сжатие текстур — это тот момент, где пути мобильных и настольных графических конвейеров полностью расходятся. Для подробного разбора сравнения форматов 3D-файлов, включая стратегию текстурных атласов и экспорт в нативном для платформы формате, см. наше руководство. Настольные системы используют BC7 и BC5. Мобильное оборудование поддерживает ASTC (Android 8+ и iOS) или ETC2 (устройства на более старых версиях Android). Подробное описание форматов см. в руководстве по сжатию текстур для Android. Экспортируйте текстуры в формате, нативном для платформы, а не в BC7.

Установите размер текстуры на минимально допустимое качество. Пропп, занимающий 200 пикселей на экране на минимальном расстоянии от камеры, не требует текстуру размером 2048x2048. Ему достаточно 256x256. Это экономит 99% памяти по сравнению с текстурой 2048 с полной цепочкой мипов.

Карты нормалей (normal maps) должны быть в два раза меньшего разрешения, чем текстура основного цвета. Для карты основного цвета 1024x1024 используется карта нормалей 512x512. Это экономит память, и GPU не ощущает потери, так как карта нормалей уже интерполируется (сглаживается) в пиксельном шейдере.

Настройка LOD для мобильных игр

Когда использовать LOD (уровень детализации) на мобильных

Использование LOD не бесплатно. ЦП вычисляет переходы LOD каждый кадр. На сцене с 5 персонажами эти вычисления обходятся дороже, чем экономят. На сцене с 50 деревьями или 30 видимыми NPC использование LOD стабильно повышает производительность.

Используйте LOD, когда: в сцене одновременно видно 20 или более персонажей или пропсов, расстояние от камеры значительно меняется во время игры, или целевое устройство — бюджетный смартфон.

Не стоит беспокоиться о LOD, когда: камера статична, персонажи редко появляются на сцене или проект уже укладывается в рамки бюджета с полной детализацией.

LOD (уровень детализации) для окружения эффективнее, чем LOD для персонажей в большинстве мобильных игр. В лесу из 50 деревьев применяется 2 уровня LOD: ближние деревья с полной детализацией, дальние — как плоские спрайты из 4 треугольников. Это сокращает 50 вызовов отрисовки до 2 без видимой потери качества при типичных ракурсах камеры.

Особенность для мобильных устройств: переключение LOD приводит к повторной привязке меша на GPU, что стоит примерно одного вызова отрисовки на каждое переключение. Всплеск из 20 одновременных переключений может привести к скачку времени кадра. Проводите профилирование на самом слабом целевом устройстве. Редактор Unity вводит в заблуждение.

Принцип работы групп уровня детализации (LOD) в Unity и Unreal

Система уровней детализации автоматически заменяет далёкий меш на упрощённую версию. В Unity это называется LOD Group. Unreal Engine использует то же название. Система работает одинаково для персонажей, пропсов и элементов окружения.

По умолчанию LOD-группа (уровень детализации) в Unity определяет четыре уровня:

Задайте процентное значение высоты экрана в компоненте LOD Group, чтобы управлять моментом активации каждого уровня детализации. Unreal добавляет Иерархический LOD (HLOD), который заменяет несколько мешей одним объединённым на дальних дистанциях. См. документацию Unreal по HLOD для получения инструкций по настройке. Это полезно на мобильных устройствах, когда целая деревня из 30 зданий может быть объединена в один меш на горизонте. Unity реализует этот сценарий иначе — с помощью GPU Instancing, что проще в настройке.

Экспорт настроек и импорт движка

Экспорт оптимизированного для мобильных платформ FBX из Blender за шесть шагов

Экспорт с неправильными настройками FBX увеличивает объем данных ме́ша и сбрасывает ссылки на материалы. Вот правильный порядок действий:

1. Открыть файл > Экспорт > FBX (.fbx). См. официальная документация по экспорту FBX из Blender для полного описания параметров. В поле «Включить» отметьте только «Выбранные объекты». Снимите флажки со всех типов объектов, которые не являются мешами.
2. В разделе Transform установите Scale на 1.0 и выберите Применить масштабирование. Установите Forward на -Z и Up на Y в Unity.
3. В разделе Geometry установите флажок Apply Modifiers. Это применяет к экспорту модификаторы зеркала, подразделения и массива. Установите для Smoothing значение Face.
4. Оставьте флажок «Анимация» снятым для статических мешей. Статическому ящику не нужна анимационная дорожка по умолчанию, которая увеличивает размер импортируемого файла вдвое.
5. Установить касательное пространство в состояние «Генерировать». Генерация касательных в FBX устраняет вычислительный шаг при импорте. Разница невелика для каждой геометрической сетки, но накапливается при импорте большого количества ассетов.
6. Импортируйте в Unity. Установите масштаб модели равным 1, если модель отображается в корректном размере. Если она превышает нужный размер в 100 раз или слишком мала, вернитесь в Blender и экспортируйте с правильным масштабом единиц.

Проверьте масштаб с помощью теста с единичным кубом перед импортом пакета моделей персонажей. Поместите куб размером 1 м в сцену Blender, экспортируйте его как FBX и импортируйте в Unity. В сцене его ширина должна отображаться как 1 м. Если она отображается как 100 м, значит, масштаб единиц неверен, и потребуется корректировка масштаба для каждой модели в пакете.

Импорт в Unity для мобильной разработки

Щелкните правой кнопкой мыши на FBX в панели Project и откройте вкладку Model. Установите Масштабный коэффициент на 1, если модель выглядит правильно. Если модель в 100 раз больше (чем нужно), вернитесь в программу Blender и экспортируйте с корректным масштабом единиц измерения.

В разделе «Сжатие меша» установите значение «Высокое». При этом используется 64-битный индекс для больших сеток и 16-битный индекс для маленьких. Мобильные вызовы рендеринга выигрывают за счет 16-битных индексов, так как буфер индексов графического процессора занимает меньше пропускной способности памяти.

Снимите отметку «Чтение/Запись». Unity копирует данные меша в память GPU при загрузке. Если «Чтение/Запись» включено, Unity также сохраняет копию на ЦП. Для статических мешей, которые никогда не изменяются во время выполнения, копия на ЦП представляет собой мёртвый груз.

В разделе Optimization установите флажок Optimize Mesh. Unity переупорядочивает вершины для повышения эффективности использования кэша GPU. На мобильном GPU с небольшим кэшем вершин такое переупорядочивание может сократить время расчета пиксельного шейдера на 10–15 процентов.

Распространённые ошибки low-poly в мобильной разработке

Излишняя детализация героя

Главному персонажу всегда присваивается слишком много треугольников на первом этапе. Для разбора различий в бюджетах low-poly и high-poly на разных платформах ознакомьтесь с нашим руководством по low-poly и high-poly 3D-моделям.

Лицо со скульптурными скулами, отдельными ресницами и кольцом из кольчуги из урока доводится до 15 000 трисов (треугольников) ещё до начала работы над телом. На мобильном устройстве при 15 000 треугольников сцена не вмещает ничего больше.

Установите бюджет треугольников для персонажа перед началом моделирования и придерживайтесь его. Если бюджет составляет 10 000 треугольников, выделите 3 000 на голову, 4 000 на тело и по 500 на каждую конечность. Внесите эти цифры в заметку и отталкивайтесь от лимита бюджета, а не от высокополигональной скульптуры.

Игнорирование подсчёта материалов

Герой с низким полигонажем и малым числом треугольников, но с 10 материалами, хуже, чем герой с высоким полигонажем и большим количеством треугольников, но с 2 материалами. Мобильным GPU проще обрабатывать треугольники, чем вызовы отрисовки. Герой с 2 материалами работает быстрее, потому что движок выдаёт 2 вызова отрисовки вместо 10, даже если количество треугольников втрое больше.

Решение — текстурный атлас. Объедините диффузную карту, карту нормалей и остальные карты всего персонажа в один атлас. Атлас размером 2048x2048 с одним материалом позволяет отрисовать персонажа за один вызов отрисовки (draw call). Пять отдельных текстур размером 1024x1024 на пяти материалах требуют пяти вызовов отрисовки и пяти дополнительных операций setpass. Смотрите наше руководство по игровым 3D-моделям, чтобы ознакомиться с полным контрольным списком критериев игрового качества.

Отсутствие тестирования на целевом аппаратном обеспечении

Редактор Unity работает на настольных компьютерах. Настольные видеокарты — это не мобильные видеокарты. Сцена, работающая со скоростью 120 кадров в секунду в редакторе, может работать со скоростью 22 кадра в секунду на целевом устройстве.

Профайлер Unity показывает разбивку кадров по времени ЦП, времени ГП и памяти. Подключите устройство Android через ADB, выберите его в выпадающем списке назначения Профайлера и запустите сцену. Посмотрите раздел Rendering (визуализация) для анализа вызовов отрисовки (draw calls), вызовов setpass (setpass calls) и батчей (batches).

Профайлер GPU Android показывает время работы вершинных и пиксельных шейдеров для каждого кадра. Если время работы пиксельного шейдера скачкообразно растёт, когда персонаж обращён к камере, это означает, что избыточная перерисовка (overdraw) на этом кадре слишком велика. Исправление заключается в уменьшении количества материалов или упрощении шейдера, а не в сокращении числа треугольников.

Создание низкополигональных ассетов для мобильных игр с помощью Triverse AI

Итерация концептов — это этап, на котором проекты мобильных игр тратят время впустую. Бриф на персонажа гласит: «шахтёр в стиле стимпанк со светящейся рукой», и художник тратит два дня на создание модели, которая не нравится дизайнеру. Модель готова к использованию в игре, но идёт под нож, потому что визуальный образ не соответствовал требованиям.

Рабочий процесс Artist Mesh компании Triverse AI верно схватывает силуэт концепции до запуска полного конвейера.

Шаг 1: Загрузите эталонное изображение или грубый набросок

Откройте Triverse Studio и выберите Artist Mesh. Перетащите и отпустите или вставьте изображение в формате PNG, JPG, JPEG или WebP. Подойдёт как черновой концептуальный набросок, так и чёткое фото силуэта.

Шаг 2: Выберите количество вершин и сгенерируйте фигуру

Выберите топологию Triangle или Quad. Выберите пресет количества вершин, подходящий для вашей мобильной платформы: 1K — для фоновых объектов, 2K — для стандартных объектов, 4K — для геройских моделей или детализированных персонажей. Нажмите «Сгенерировать». Обычно генерация за 25 кредитов занимает меньше минуты.

Шаг 3: Проверьте и нанесите текстуру, если нужно

Artist Mesh генерирует меш, который можно сразу оценить по пропорциям, позе и общей форме. Если силуэт неверен, удалите его и перегенерируйте. Стоимость составляет 25 кредитов и несколько секунд вместо двух дней моделирования вручную.

Шаг 4: Экспорт и проверка необходимости доработки в Blender

Экспортируйте концепт в формате GLB или OBJ и импортируйте в Blender для правильного потока ребер и деформирования, и примените правила оптимизации из предыдущих разделов. Результат Artist Mesh — это отправная точка, а не финальный игровой ассет, но он сокращает продолжительность фазы концепт-арта с дней до часов.

Часто задаваемые вопросы для низкополигональных моделей для мобильных игр

Какое количество полигонов рекомендуется для персонажей мобильных игр?

Сколько вызовов отрисовки должна обрабатывать мобильная игра за кадр?

Как уменьшить вызовы отрисовки в мобильной игре без объединения мешей?

Какой формат файлов лучше всего подходит для 3D-моделей мобильных игр?

Помогает ли LOD производительности на мобильных устройствах на самом деле?

Можно ли использовать карты нормалей на низкополигональных моделях для мобильных игр?

Как протестировать производительность 3D-моделей на реальном Android-устройстве?

Вывод

Главный урок мобильной 3D-графики: треугольники — не враг. Главный враг — draw calls. Задайте полигональный бюджет до начала работы в Blender, работайте в рамках этого бюджета и уделяйте больше времени консолидации материалов, чем уменьшению числа вершин. LOD полезен, когда в сцене достаточно объектов, чтобы оправдать нагрузку на процессор. Тестируйте на самом слабом целевом устройстве на вашем рынке, а не в десктопном редакторе. Всё остальное в этой статье — детали. Эти приоритеты составляют основу. Кроме того, вы можете напрямую использовать функцию Artist Mesh от Triverse AI, чтобы быстро генерировать кастомные стилизованные low-poly игровые модели одним кликом, и в течение ограниченного времени загрузка моделей бесплатна!