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GPU驱动与虚拟几何6 MIN READ

Nanite几何选择与流送

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相机靠近一面高密度石墙，需要增加当前可见区域的几何细节，远处部分仍可保持粗层。Nanite 用预处理层级做这份选择，再把所需细节作为页面流送。理解它时要把构建、屏幕误差、驻留和缺页回退连起来：选出的细节既要覆盖表面，也必须已经可供 GPU 使用。

版本与证据范围

层级构建和流送依据Epic的2021年Nanite公开演讲，功能约束采用UE5.4官方Nanite文档；2026-10-22核读。演讲描述当时实现，本文参考算法只模拟覆盖关系，不作为UE5.4或更新版本源码的逐行实现。

Nanite的几何预算

Nanite 是 Unreal 的虚拟化几何系统。核心思想是把高密度三角形预处理成 Cluster 层级，根据当前视点选择满足屏幕空间误差的局部几何，并按需流送所需 Page。

可用细节受导入几何、磁盘、内存、流送、材质和像素预算共同约束。相机靠近时能够请求更细数据，前提是这些细节已由构建阶段生成。

簇组与简化层级

朴素方案若独立简化每个簇，要么边界裂开，要么永久锁住边界导致高层 LOD 仍保留大量三角形。

Nanite 的公开设计以簇组为简化单元：

  1. 把一组簇合成簇组；
  2. 锁住簇组外边界；
  3. 对 簇组内部整体简化；
  4. 把简化结果重新聚类；
  5. 在更高层重复。

不同层的组边界会变化，父子关系不必是一对一树，可形成局部多对多的 DAG。这样能在保持某次简化边界水密的同时，避免同一边永久被锁住。

具体簇数量、三角形上限和内部布局会随引擎版本变化，理解时应关注职责，不把示例数字当接口保证。

屏幕误差与层级切面

每个节点记录简化误差和包围范围。对透视相机，一个便于理解的近似是errorPixels ≈ errorWorld * H / (2*z*tan(fovY/2))：H为像素高度，z为沿相机前向轴测得的正视空间深度，fovY为竖直视场角。这个公式假定误差相对距离很小；保守实现要用误差包围体、最近距离与近裁剪条件，不能仅用中心点距离作为保证。

例如竖直视场角90度、高度1080像素，世界误差0.01米，距离10米时投影约为0.54像素；靠近到5米就变成1.08像素。阈值为1像素时，同一粗层在远处可用，近处需要细分。若包围体最近点距离只有2米，使用中心10米会明显低估误差，因此这个中心数值例只能说明尺度，不能替代保守选择。

选择出的节点集合形成层级切面（Cut）：覆盖需要绘制的表面，并避免父子重复绘制。设屏幕阈值为τ，公开演讲中的局部选择条件为parentError > τ && clusterError <= τ。父级误差大到不能使用，当前簇又足够精细时，选择就在两者之间切开。

该条件要求沿层级从粗到细误差不增加。如果父误差为2、子误差为4，阈值为3，父级已经满足而子级反而不满足，局部判断可能产生空洞或重叠。构建时不仅使误差单调，还需要让用于投影误差的包围范围满足相应关系，才能保持不同视点下的选择一致。公开演讲第65—70页区分了LOD关系DAG与用于加速候选查询的包围层级。

相邻区域可选不同细节层，产生视点相关LOD。过渡稳定性依赖误差度量、边界构造、时间滞后和像素覆盖，不等于完全没有突跳。

Nanite剔除与光栅化

运行时先用层级包围体减少需要检查的簇，再做实例与簇的视锥、背面和遮挡剔除。

大三角形适合硬件 Rasterizer。极小三角形在固定 Rasterizer 中会受 Quad/Setup 效率影响，Compute Software Raster 可能更合适。实现可以按投影三角形尺寸选择路径，最终写入统一 Visibility/Depth 表示。

路径成本取决于三角形尺寸、覆盖、原子写、硬件和具体实现；选择阈值需要在目标设备上测量。

页面流送与虚拟化

精细簇数据按页面存储。粗层级常驻，细节按视图请求流送。请求从 GPU 可见性产生，经 CPU/IO 调度加载到 GPU 页面池。

需要处理：

  • 页面驻留与逐出；
  • 请求去重与优先级；
  • 相机瞬移的峰值；
  • 缺页时回退父级；
  • 压缩与 GPU 解码；
  • 多视图、阴影和反射带来的额外需求。

页面池有固定驻留预算，新增请求会与已有内容竞争。粗层常驻让缺页时仍有可绘制结果，细层则按优先级进入预算。

2021年公开实现用当前页或父页引用消除重复顶点，并对磁盘数据使用适合字节压缩的编码；GPU转码在安装时还原渲染表示。压缩率、随机访问粒度和解压吞吐需要一起设计：页面太大增加无效传输，页面太小会放大请求、元数据和 IO 开销。

页面完成读取以后还需要安装、转码并修补GPU侧索引。2021年公开实现把磁盘表示与渲染内存表示分开：前者针对压缩体积，后者针对随机访问和快速解码。父页面引用必须在子页面解码以前可用。具体存储API和解压路径属于目标平台实现，不能从“GPU转码”推定一定使用DirectStorage。

组完整性与缺页回退

细簇与父簇可能交叠，替换单位因此是完整组。假设父级覆盖左、右两部分，左子簇已驻留、右子簇未驻留：只画左子簇并隐藏父级会漏掉右半；同时画左子簇和完整父级又会重复覆盖左半。合法选择是暂时画父级，并请求右子簇所在页面，等整组可用后一起替换。

2021年演讲第122—127页据此要求流送切面也保持合法，页面安装和逐出都可能改变组完整性。请求队列还会更新已经驻留页面的优先级，避免把当前仍重要的数据当作冷数据逐出。相机瞬移先改变请求集合，细节到达仍有反馈、IO和安装延迟，粗层回退承担这段时间的表面覆盖。

层级选择的算法轮廓

以下为通用层级切面选择伪代码，解释覆盖和细节选择，不代表 Nanite 源码逐行实现。输入节点保存屏幕误差、子节点和驻留信息，输出是互不重复的绘制集合。

text
Select(node, view):
    if ConservativelyInvisible(node.bounds, view): return
    error = ProjectError(node.error, node.bounds, view)
    if error <= threshold or node.hasNoChildren:
        Emit(node)
        return
    if AllRequiredChildrenResident(node):
        for child in node.children:
            Select(child, view)
    else:
        RequestMissingPages(node)
        EmitResidentFallback(node)

真实 DAG 选择还需处理组边界、父子误差一致性和多视图请求。缺页时保留可绘制粗层，不能直接省略表面。用逐级阈值变化检验覆盖完整，并检查父子不会同时重叠绘制。

材质、透明与动态几何

高密度可见性管线对不透明/Masked 几何最自然。透明排序、像素深度偏移、任意顶点位移和复杂变形会破坏预计算包围体、层级与可见性假设。

UE5.4文档的Materials节支持Opaque与Masked，并规定不支持的混合类型有替代材质和日志提示；Geometry节把WPO列为有限支持，要求控制位移范围，骨骼动画与Morph Target另列为不支持。这里是5.4文档范围，其他版本按对应文档与项目验证，不能沿用为永久限制。

传统 LOD、Skeletal Mesh、Impostor 和普通 Raster Pipeline 仍然需要，与虚拟化几何混合存在。

验证方法

  • 使用 Nanite 可视化查看层级选择、实例与 cluster 数量。
  • 固定镜头记录 流送请求，再瞬移检查粗层回退和细节恢复。
  • 对 Masked、位移、动态几何和阴影分别按目标 UE 版本验证。
  • 记录 GPU剔除、光栅化、材质和页面池 成本。

参考实验与证据

CPU参考模型的select_cut用树模拟完整组替换：子项全驻留时取子项，缺一项时保留父项并发出请求，阈值相等时保留当前项。2026-10-22执行python 知识库/examples/revision_22_26/test_reference.py，21项通过，其中3项属于切面覆盖。真实DAG、多视图、误差传播、压缩页安装与Nanite运行均未包含，完整引擎运行和GPU性能尚未验证。

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参考资料

  • Brian Karis、Rune Stubbe、Graham Wihlidal，Nanite: A Deep Dive，SIGGRAPH 2021。PDF第30页流送切面，第34—35页交替组边界，第65—70页单调误差与局部LOD选择，第122—127页组完整性与请求，第129、138、140页双表示、GPU转码和父页引用；2026-10-22读取原PDF对应页。
  • Epic Games，UE5.4 Nanite Virtualized Geometry，Supported Features、Nanite Stats Command、Controlling Nanite Streaming Pool Size；2026-10-22核读。功能限制、观察入口和预算范围由此核对。