Nanite：性能杀手or优化神器？

引自： https://www.reddit.com/r/unrealengine/comments/1cieqaz/is_nanite_good_or_bad_for_performance/

Nanite在性能表现上呈现明显的”双刃剑”特性，其优劣取决于项目规模、硬件配置和具体应用场景。这项虚幻引擎5的核心技术为开发者带来了前所未有的创作自由，允许实时渲染亿级多边形的高精度模型，但同时也带来了新的性能考量。本文将深入分析Nanite的工作原理、性能影响因素以及在不同项目和平台上的适用策略。

一、Nanite技术原理与性能优化机制

Nanite是一种虚拟微多边形几何体系统，其核心设计理念是”三角形的绘制数量超过像素数量就是一种浪费”。这项技术通过两种创新机制实现了对海量几何数据的高效处理。

首先，Nanite采用分层簇（Cluster）结构和按需加载的策略。在导入模型时，Nanite会将模型分解为多个三角形簇，每个簇包含128个三角形。这些簇根据屏幕空间大小自动生成不同级别的LOD（细节层次），并根据摄像机距离动态选择加载的细节级别。只有可见的几何细节才会被加载到内存中，而非传统的全场景预加载，这大大降低了内存占用和带宽消耗。

其次，Nanite通过GPU驱动的软光栅化技术优化渲染流程。传统渲染管线中，GPU需要处理所有三角形的顶点数据，而Nanite只在需要时才进行顶点处理。它将渲染分为两个阶段：在第一阶段生成可见性缓冲区（Visibility Buffer），只记录可见三角形的索引；在第二阶段根据可见性缓冲区动态加载顶点数据并进行着色。这种分阶段处理方式减少了GPU的顶点处理负载，特别适合处理高精度模型。

此外，Nanite还实现了几何压缩技术，对顶点位置、法线、UV等数据进行量化压缩。例如，顶点位置精度可限制在21位以内，使每个三角形能用64位表示，大大降低了存储和传输需求。这种压缩技术不仅减少了内存占用，还优化了数据加载流程，使高精度模型能够更高效地流式传输到GPU。

然而，Nanite的性能优化并非没有代价。它将部分计算负载前置，在渲染管线的前端需要执行更多的计算工作，包括簇分析、可见性缓冲生成和LOD选择。这种计算负载分布的变化意味着，对于低多边形场景，Nanite可能反而增加性能开销。

二、高低多边形场景下的性能表现对比

Nanite的性能表现与场景复杂度密切相关，呈现明显的”临界点”特征。根据实测数据，当场景三角形总数超过一定阈值时，Nanite的性能优势才会显现。

在高多边形场景中，Nanite表现出色。例如，《黑神话：悟空》中的复杂大殿场景，包含亭台楼阁等高精度模型，传统渲染管线下帧率仅为38fps，而启用Nanite后帧率提升至70fps，实现了显著的性能提升。这种提升主要来自三个方面：一是动态LOD减少了实际渲染的三角形数量；二是软光栅化避免了对不可见几何体的顶点处理；三是按需加载机制降低了内存和带宽压力。

在低多边形场景中，情况则截然不同。当场景三角形总数低于2000时，如简单建筑或道路场景，Nanite的性能表现反而不如传统管线。实测显示，同一场景在禁用Nanite时帧率为65-90fps，启用Nanite后帧率下降至40-50fps，损失约6-7fps。这是因为低多边形场景无法充分利用Nanite的动态LOD优势，反而需要承担额外的簇生成和可见性计算开销。

下表展示了不同多边形密度场景下Nanite的性能表现对比：

Nanite的性能优势主要体现在高多边形场景中，当场景三角形数量达到百万级以上时，其性能提升最为显著。这是因为传统渲染管线在处理大量三角形时面临严重的顶点处理和光栅化压力，而Nanite的动态LOD和按需加载机制能有效缓解这些压力。

然而，对于低多边形场景，传统LOD优化和预烘焙光照方法更为高效。这是因为这些场景的几何复杂度不足以抵消Nanite的前置计算开销，反而会因额外的簇分析和可见性计算导致性能下降。

三、Nanite与Lumen、VSM的协同效应与性能开销

Nanite并非孤立存在，而是与UE5的其他核心技术（如Lumen和VSM）紧密协同。这种协同带来了视觉效果的质的飞跃，但也增加了整体性能开销。

Nanite与Lumen的协同主要体现在全局光照和反射的计算优化上。Lumen依赖精确的几何体形状计算光线传播，而Nanite的动态LOD能根据摄像机距离自动调整几何细节，使Lumen能够更高效地计算光照。然而，这种协同也带来了额外的计算负担：高精度几何体的实时反射和间接光照会增加GPU计算压力。实测显示，开启Nanite+Lumen时，性能可能下降约20fps，尤其是在高密度场景中。

Nanite与VSM（虚拟阴影贴图）的协同则面临不同的挑战。VSM需要根据几何体生成阴影贴图，而Nanite的高精度模型可能导致阴影贴图的计算压力增加。不过，Nanite的动态LOD机制也能减少远处阴影的细节，从而降低计算负担。然而，变形材质（如WPO、PDO或开启Tessellation的材质）会导致Nanite的光栅化库（Raster Bins）数量增加，显著提升GPU负载。这种情况下，即使场景三角形数量适中，Nanite也可能导致性能下降。

Nanite与Lumen、VSM协同时的性能开销分布：

三者结合的性能开销主要来自三个方面：一是显存与带宽压力，需要存储高精度几何数据、动态光照缓存和阴影贴图；二是GPU并行负载，光栅化、光照和阴影计算需同时进行；三是材质实例化开销，尤其是变形材质会显著增加光栅化库数量。

为优化这种协同性能，开发者可采取以下策略：

• 降低Lumen采样率（如r.Lumen.SamplingRate）
• 调整VSM影响距离（r.VSM.AffectsDistance）
• 减少变形材质使用，尤其是WPO材质
• 合并材质实例，减少光栅化库数量
• 对低模资产禁用Nanite，使用传统LOD优化

值得注意的是，Nanite的性能优化仍在持续演进。随着UE5后续版本的更新，更多渲染管线将迁移到Nanite体系，未来其性能表现有望进一步提升。

四、基于项目需求和目标平台的Nanite使用建议

Nanite的使用决策应基于项目规模、目标平台和视觉需求综合考量。以下是针对不同场景的具体建议：

对于高多边形复杂场景，如开放世界游戏、建筑可视化或数字孪生项目，Nanite通常是理想选择。它允许直接使用影视级高精度模型，无需手动创建多级LOD，大大简化了美术工作流程。在《黑神话：悟空》等项目中，Nanite成功实现了高精度场景的实时渲染，即使在RTX 2060级别硬件上也能保持稳定帧率。

然而，即使是高多边形场景，也需注意以下限制：

• 避免使用面片法线（Faceted Normals），这会导致顶点冗余，增加渲染开销
• 对聚合几何体（如毛发、树叶）需谨慎使用，可能引发过度绘制问题
• 紧密堆叠的表面可能导致Nanite无法有效剔除隐藏几何体，增加渲染负担

对于低多边形简单场景，如移动端游戏或早期项目原型，禁用Nanite通常是更优选择。低模场景无法充分利用Nanite的动态LOD优势，反而会因额外的簇分析和可见性计算导致性能下降。在这种情况下，传统LOD优化和预烘焙光照方法更为高效。

针对不同目标平台，Nanite的适用性也存在差异：

PC和次世代主机（如PS5、Xbox Series X）是Nanite的理想平台，这些设备具备足够的GPU性能和显存带宽来应对Nanite的计算需求。在这些平台上，Nanite通常能带来显著的性能提升，特别是在处理高精度模型时。例如，《黑客帝国觉醒》等项目通过Nanite实现了高精度场景的实时渲染，同时保持了流畅的帧率。

上世代主机（如PS4、Xbox One）则需谨慎评估。这些设备的硬件限制可能导致Nanite性能不佳，尤其在同时启用Lumen和VSM时。在这种情况下，建议禁用变形材质（如WPO）并减少光栅化库数量，以降低Nanite的性能负担。

移动端设备因硬件限制（如显存带宽不足）难以实现完整的Nanite管线。在这些平台上，建议禁用Nanite或仅对关键高模启用，同时优先使用传统LOD和预烘焙光照方法。资料[34]明确指出，移动端实现完整的Nanite管线存在挑战，但代理网格体可提供基础支持。

针对不同项目类型，Nanite的适用性也有所不同：

• 开放世界游戏：适合启用Nanite，但需结合Lumen的光照优化和VSM的阴影范围调整
• 建筑可视化/数字孪生：可利用Nanite的高精度模型支持，但需减少变形材质以降低光栅化库开销
• 移动端游戏：建议禁用Nanite或仅对关键高模启用，优先使用传统LOD和预烘焙光照
• 影视级实时渲染：适合启用Nanite，可显著提升视觉效果，但需强大的硬件支持

最后，无论项目规模如何，都应通过性能分析工具验证Nanite的实际影响。使用stat gpu、profilegpu等命令查看Nanite VisBuffer和BasePass的耗时，使用r.Nanite Visualize Advanced 1查看光栅化模式，使用r.Nanite ShowMeshDrawEvents 1查看材质实例的光栅化开销。这些工具能帮助开发者准确评估Nanite的性能影响，并针对性地进行优化。

五、结论

Nanite并非万能的性能优化工具，其效果取决于场景复杂度、硬件配置和具体应用场景。在高多边形复杂场景中，Nanite能显著提升渲染效率；而在低多边形简单场景中，其性能开销可能大于收益。

随着UE5的持续更新，Nanite的性能表现有望进一步提升。未来，更多渲染管线将迁移到Nanite体系，包括光线追踪、物理效果等，这将带来更全面的性能优化。此外，随着硬件技术的发展，尤其是GPU架构的演进，Nanite的优势将更加明显。

对于开发者而言，理解Nanite的工作原理和性能影响至关重要。它不仅是一种渲染技术，更代表了一种全新的渲染管线设计理念。通过合理配置Nanite参数、优化材质使用和结合其他UE5技术，开发者可以在保持高视觉效果的同时，最大化Nanite的性能优势。

在项目决策时，应基于具体需求和目标平台权衡Nanite的使用。对于追求极致视觉效果的大型项目，Nanite是理想选择；而对于注重性能和稳定性的中小型项目，可能需要谨慎评估或寻找替代方案。无论选择何种技术路径，性能分析和持续优化始终是确保项目成功的关键。