生存RTS《異星前哨》技術分享——燃燒你的CPU

大家好，我們是雲蟾遊戲國產科幻生存RTS《異星前哨》專案組成員，是一群熱愛RTS的老炮兒。在不久前我們在遊戲發售之際，分享了一些關於GPU的知識，這次我們會分享CPU相關的技術積累，希望給國內遊戲的開發環境提供一些微末幫助。


在對《異星前哨》製作人的要求：同屏十萬只怪進行技術拆解後，技術組的效能最佳化方案，圍繞GPU和CPU兩個模組來同步進行的，本篇日誌主要來談談CPU的部分，與GPU不同，CPU承受的大部分壓力在於：

海量的蟲子尋路時產生的效率問題

基於這個關鍵點，我們將在下面分享CPU層面最佳化《異星前哨》的整個過程。

一、尋路演算法的問題

開發初期，技術組分析了產品的地圖需求：

1、遊戲開始時建立隨機地形

2、定時在多角落刷10萬隻若干蟲子，向地圖中心移動

3、角色、蟲子都要有碰撞

這些需求看起來並不複雜，公司在另一個專案《鐵甲雄兵》上已經積累了比較豐富的地圖開發經驗，所以技術組很快得到了初步方案結論，即：

使用“導航網格（Navigation Mesh）”技術


依靠已有經驗來看，導航網格可以完美適配複雜、不規則、多層的地形，在尋路效率和效果上，都表現得非常優秀。

但是，當第一個DEMO出來時，問題就開始暴露：

隨著建築、單位、蟲子數量的不斷增加，FPS開始出現大範圍的跳動，連角色行走路線也變得飄忽不定，整個遊戲透露出奇怪的BUG感（誤）。

經過了漫長而脫髮的Debug流程，我們最終得到了結論，導航網格這玩意兒在《異星前哨》的地圖上，根！本！不！適！用！

先談談導航網格為什麼不適用，相較於傳統尋路方案，導航網格的優勢是：

‒        對網格進行合併，減少網格數量，減少計算量，提升效率

‒        利用三角形貼合不規則的地形，讓拐彎更自然

而帶來的缺點是：重構網格相當費時，耗費的時間和地圖的阻擋複雜度成正比

我們再來看《異星前哨》這個產品裡，產品的執行邏輯如下：

1、玩家會頻繁的擺放/拆除建築

2、地圖阻擋屬性因為建築變動而變更

3、開始重構導航網格，重新定位蟲子所在的三角網格

4、開始廢棄舊的尋路路徑，蟲子開始重新尋路

5、效能逐漸被拖垮


我們透過上述的例子會發現，導航網格這種地圖型別：

地形不規則、阻擋幾乎不變。

比如，一個MMORPG的副本，導航網格允許離線生成，相對較為靜止


但遺憾的是，在《異星前哨》這種即時戰略類遊戲中，情形剛好相反：

地形非常規則，阻擋頻繁變動。


無奈之下，資深程式設計師在一個月黑風高的加班之夜，撫摸著自己僅剩的幾縷頭髮，在報告PPT上寫道：放棄使用導航網格尋路，改用傳統網格尋路。

二、傳統網格演算法

傳統網格就是我們常說的A星演算法，對於做了多年開發的技術組來說幾乎輕車熟路

使用A星(A-star algorithm)演算法


當玩家擺放建築時，只需要更新該建築所佔網格的阻擋屬性，剩下的工作就由強大的A*演算法自行解決。


一般情況下，一次尋路所消耗的時間不足1毫秒。

新的尋路模組編碼工作結束後，專案再次開展了一次深度測試。

一路穩定執行，配合上GPU的最佳化，整體執行的FPS穩定在80。

直到蟲巢發生暴動。


數千只蟲子相互擁擠在路口，相互碰撞，大量蟲子被擠出原有尋路路線，他們很快開始重新尋路。

偏離路線的蟲子數量越來越多，FPS也急劇下降到了10。

顯然，單次尋路消耗時間雖然少，但也架不住數量的增加，最佳化尋路效率並不能從根本上解決問題。

技術組亮出第一把武器：多執行緒尋路

利用CPU多核優勢，成倍提升計算力，FPS明顯回升。

隨著蟲子數量的持續增加，FPS再次回落。

技術組亮出第二把武器：採用佇列來削峰

尋路佇列的本質，是把大量的尋路計算，分散到不同的幀上執行，設定一個合適的並行數量，將剩餘的尋路請求丟進快取等待，控制每一幀的計算量，利用時間消化掉所有的尋路請求，穩定FPS。

當碰到提交的尋路請求源源不斷的時候，自然會掉進快取佇列數量只增不減的黑洞。

所以技術組很快發現儘管幀數穩定了，但另一個問題愈加嚴重，出現了“成片蟲子原地呆滯”的現象


儘管對自信心打擊很大，但這裡的問題非常明確：

海量蟲子的併發尋路存在很大問題，必須解決！

三、選擇洋流圖方案

技術組重新回到第一步，分析產品的地圖需求，經過多次的討論，意外發現了一個突破口：

《異星前哨》蟲潮爆發時有一個特點，所有怪物的目的地只有1個，就是主基地。

基於這個特點，我們的目光逐漸轉移到了一個不常用的方案上：

使用“洋流圖尋路法”Flow Field Pathfinding


這個方案的特點：地圖上的每一個網格，都記錄了前進的方向，避免大範圍的遍歷計算。

蟲潮衝鋒的時候，目的地只有主基地，非常簡單粗暴，而且，玩家本身無法改變地形，玩家建造的建築物只產生阻擋，並不影響蟲潮的進攻路線。

所以，洋流圖在地圖生成的初期即可確定下來，無需在玩家遊戲過程中動態生成。

靜態生成，避免大範圍遍歷網格，簡直是量身定做

同時，技術組還考慮到：為了降低難度，避免蟲子分流，在生成洋流圖時最佳化了部分路線，使蟲子儘可能不會到處亂跑，更容易擠在一個小路口供玩家戰鬥。

另外，洋流圖還支援多層結構，可以支援更復雜的尋路機制，有更好的擴充性。

之後還會做更多最佳化，針對蟲群出現的位置，將蟲群看成一個整體，最佳化前進路線，重算洋流圖，讓蟲群的進攻看起來更加飽滿、有壓迫感。

蟲子滿載，CPU滿載，幀數穩定


上述就是《異星前哨》技術組對遊戲CPU效率最佳化的總結了，希望大家的CPU不會太熱。

關於遊戲：

《異星前哨》是一款融合即時戰略的國產科幻生存RTS，不同於傳統RTS遊戲，本作捨棄了PVP對戰，將核心玩法聚焦於生存模擬。玩家將成為探索外星的領導者，建立基地並抵禦外星蟲潮的攻勢。遊戲首創英雄體系融入核心玩法，每個英雄擁有專屬技能、兵種以及建築單位等；數萬蟲潮同屏效果震撼，可暫停和隨時存檔。誠邀各位體驗！