Simulation von Haaren und Stoffen mit Unity Cloth auf Mobilgeräten

Viele Designer stehen früher oder später vor der Herausforderung, ein realistisches Gewebe- oder Haarverhalten zu erreichen. Hierfür gibt es eine Reihe von Technologien, von denen jedoch nicht alle für mobile Plattformen geeignet sind. Normalerweise backen mobile Entwickler Animationen, weil es am billigsten ist. Wir werden über Echtzeitsimulation sprechen - das Unity Cloth- Modul .







Unity Cloth ist ein auf Gewebephysik-Simulationen basierendes System, das in Verbindung mit SkinnedMeshRenderer arbeitet. Sie können damit eine Vielzahl von Parametern steuern, z. B. Zug- oder Torsionssteifigkeit, Dämpfung (der Betrag, der dafür verantwortlich ist, wie schnell das Gewebe ins Gleichgewicht kommt), Windsimulation, Wechselwirkung interner Kollisionen (Selbstkollision), Reibung, Schwerkraft, Einfluss usw. Interaktion von Kollidern usw.



Eines der Teams des Krasnodar-Studios Plarium untersuchte die Anwendbarkeit von Unity Cloth für mobile Geräte.

Teil 1. Gewebesimulation

Wir haben mit Stresstests begonnen, um die akzeptablen Grenzwerte für die Verwendung der Moduleinstellungen auf Mobilgeräten zu ermitteln. Die erste untersuchte Probe war ein mehrschichtiges High-Poly-Netz - ein Umhang mit ~ 10.000 Eckpunkten, ~ 7.000 Dreiecken. Dem Objekt wurden 19 Kapselkollider in Form der Körperteile des Charakters hinzugefügt. Die restlichen Einstellungen sind Standardeinstellungen.



Die folgende Grafik zeigt die Latenz der zu untersuchenden Metriken in Millisekunden in Abhängigkeit von der Anzahl der Objektinstanzen. Das getestete Gerät ist Xiaomi Mi5 (4 Kerne, 2,15 GHz, 3 GB RAM).







Xiaomi Mi5 ist nicht das schwächste Gerät, aber es sind bereits gravierende Leistungsverluste sichtbar. Auf weniger leistungsstarken Geräten (Lenovo A536, Quad-Core, 1,3 GHz, 1 GB RAM) werden sie katastrophal. Als nächstes werden wir die Ergebnisse auswerten, die das schwächste Gerät zeigt.







Allein ein Update der Gewebephysik macht 775 von 800 ms aus. Versuchen wir, den Einfluss von Kollidern auszuschließen.







Collider-Kollisionsberechnungen reduzieren die Leistung erheblich: Mit 25 Instanzen waren maximal 475 Collider vor Ort.



Die nächste Messung bezieht sich auf ein Low-Poly-Einschichtmodell (153 Eckpunkte, 256 Dreiecke) mit weniger Instanzen (bis zu 9) und weniger Kollidern (bis zu 8).











Mal sehen, welche Auswirkungen Collider-Berechnungen haben. Lassen Sie uns die entsprechenden Abhängigkeiten am Beispiel einer Instanz eines Objekts auf verschiedenen Geräten erstellen (zusätzlich zu den bereits beteiligten Geräten verwenden wir Asus ZenFone 5, Dual-Core, 2 GHz, 1 GB RAM).







Die resultierenden Funktionen werden durch eine Polynomfunktion vom Grad 2 gut angenähert.



Es ist ersichtlich, dass die Situation mit Low-Poly-Objekten viel besser ist. Auf den ältesten Geräten dauert eine Instanz eines Objekts durchschnittlich etwa 1 ms (gegenüber ~ 3 ms bei einem High-Poly-Modell, alle anderen Dinge sind gleich), was ziemlich gut ist.



Als nächstes wollen wir sehen, wie sich zusätzliche Parameter auf die Leistung auswirken .



In den Tests haben wir ein einschichtiges Netz mit etwas mehr Details als in der vorherigen Dimension verwendet (~ 450 Eckpunkte, ~ 800 Dreiecke). 1 Kapselkollider wurde zur Unity Cloth-Komponente hinzugefügt, 1 Instanz des Objekts wurde untersucht, zusätzliche Parameter für interne Kollisionen und Windeffekte wurden variiert .











Zusätzliche Windsimulationen sowie interne Kollisionsberechnungen beeinträchtigen die Leistung.



Dies macht sich insbesondere bei komplexeren Modellen bemerkbar. Lassen Sie uns den Effekt zusätzlicher Parameter der Steifheit (Spannung, Torsion) und Dämpfung auf Maschen mit ~ 10.000 Eckpunkten und ~ 500 mit 1 Kapselkollider analysieren.







Nachfolgend sind die Ergebnisse aufgeführt, die mit dem schwächsten Gerät (Lenovo A536) mit unterschiedlichen Parametern bei jeder Messung erzielt wurden.



1. Steifheit: Dehnen und Verdrehen.

Low-Poly: 1,67 ms High-Poly: 145,32 ms.



2. Steifheit: Dehnung - inkl. / Curl - off.

Low-Poly: 1,79 ms High-Poly: 160,44 ms.



3. Steifheit: Dehnen. / Verdrehen - inkl.

Low-Poly: 1,90 ms. High-Poly: 172,19 ms.



4. Steifheit: Dehnen und Verdrehen - inkl.

Low-Poly: 1,92 ms High-Poly: 194,50 ms.



5. Steifheit: Dehnung - inkl. / Curl - off. Windeinfluss - inkl.

Low-Poly: 1,69 ms. High-Poly: 165,73 ms.



6. Steifheit: Dehnung - inkl. / Curl - off. Dämpfung inkl.

Low-Poly: 1,69 ms. High-Poly: 172,75 ms



7. Steifheit: Dehnung - inkl. / Curl - off. Windeinfluss - inkl. Dämpfung - inkl.

Low-Poly: 1,76 ms High-Poly: 173,10 ms



8. Steifheit: Dehnung - inkl. / Curl - off. Interne Kollisionen - inkl.

Low-Poly: 2,01 ms High-Poly: Unity Crash



Die Parameter der Simulation von Wind, Fade, Squeeze, Twist und interner Interaktion erhöhen die Leistung erheblich und beeinträchtigen die Leistung schwacher Geräte bei Verwendung von High-Poly-Netzen erheblich. Netze mit weniger Eckpunkten haben eine geringere Latenz.

• Die Wind-Simulation fügt ~ 9% der gesamten metrischen Latenz hinzu.
• Die Fading-Simulation addiert ~ 12% der gesamten metrischen Verzögerung.
• Die Schrumpf- / Verdrehungssimulation addiert ~ 13-15% der gesamten metrischen Latenz.
• ~ 12–16% ( . : ).

2.

Modell von cgtrader.com



Lassen Sie uns ein wenig über die Fähigkeiten der Unity Cloth-Komponente beim Arbeiten mit Haaren sprechen. Auf den ersten Blick sollte dies nicht schwieriger sein als bei einschichtigen Stoffen - fixieren Sie zuerst die gewünschten Scheitelpunkte und verteilen Sie dann den Grad des Simulationseinflusses für die verbleibenden Scheitelpunkte. Aber es gibt ein Problem - Knicke von volumetrischen Objekten wie Locken. Um den Grund für ihr Auftreten deutlicher zu erkennen, wird zur Veranschaulichung das flächenzentrierte kubische Kristallgitter eines Metalls, beispielsweise Natriumchlorid, verwendet.







Die Knicke werden durch die Tatsache erklärt, dass die nahe gelegenen Gipfel über die entfernten hinausgehen (durch den Pfeil dargestellt). Knicke und Verdrehungen konnten selbst mit Berechnungen der Wechselwirkungen interner Kollisionen nicht vermieden werden. Wir schließen daraus, dass Unity Cloth nicht für feste Körper geeignet ist.







Simulationseinstellungen:

• Parameter 1: 3 Kollider, Steifheit für Spannung und Verdrehung, Wind und innere Kollisionen aus, Dämpfung aus;
• Parameter 2: 3 Kollider, Zugsteifigkeit aktiviert, Wind- und interne Kollisionen deaktiviert, Dämpfung deaktiviert;
• Parameter 3: 1 Collider, Zugsteifigkeit aktiviert, Wind- und interne Kollisionen deaktiviert, Dämpfung deaktiviert.

Die Leistungsindikatoren der beiden schwachen Geräte sind miteinander vergleichbar, Xiaomi liefert die besten Ergebnisse.



In geschäftigen Szenen werden selbst relativ kleine Verzögerungen erheblich, und in der mobilen Entwicklung vervielfachen sich diese Zahlen, sodass Sie jede Zehntel Millisekunde kämpfen müssen.

Zusammenfassung der Unity Cloth-Komponente

• Es kommt gut mit einfachen einschichtigen Objekten (Flaggen, Umhänge, Tagesdecken und Tischdecken) zurecht.
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• . , : Graphics Settings .
• - Unity ( Bug Story).

Die Simulation einfacher einschichtiger Stoffe, die mit dem Unity Cloth-Modul erstellt wurden, ist sehr realistisch. Es sollte jedoch mit Vorsicht angewendet werden: Die Interaktion mit einer großen Anzahl von Kollidern sowie eine übermäßige Berechnung der Wind-Simulation, Dämpfung, Kompression, Verdrehung und interne Interaktion führen zu Leistungseinbußen. Im Allgemeinen ist Unity Cloth für die Verwendung auf Mobilgeräten sehr ressourcenintensiv, insbesondere bei der Simulation von Stoffen und Haaren auf High-Poly-Netzen.



Wenn Sie Unity Cloth auf mobilen Plattformen verwenden möchten , beachten Sie die folgenden Empfehlungen:

• Weniger Eckpunkte bedeuten eine bessere Leistung. Verwenden Sie Netze mit der Mindestanzahl von Scheitelpunkten, die Sie verarbeiten können.
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