10 000 объектов за 0.083 мс: как распределить бюджет рендеринга без просадок FPS

Каждый игровой инженер сталкивался с этим. У вас есть 16.67 мс на кадр (60 FPS). В сцене 10 000+ объектов: враги, частицы, тени, декали, постыффекты. Нужно решить: на что потратить бюджет, чтобы игрок видел самое важное в максимальном качестве, а FPS не проседал?

Типичные подходы и их недостатки

1. Дистанционный LOD (расстояние до камеры)

• Проблема: враг в 50 метрах за прицелом важнее, чем дерево в 10 метрах за спиной. Расстояние не учитывает семантику.

2. Глобальный пресет качества (низкий/средний/высокий)

• Проблема: босс и фоновая крыса получают одинаковый уровень детализации.

3. Ручная настройка с приоритетами

• Проблема: не масштабируется на тысячи объектов. Динамическая камера или смена игрового момента ломают статическую конфигурацию.

4. Фиксированные лимиты на категории (например, не более 10 NPC с полным освещением)

• Проблема: в момент, когда вокруг игрока 12 врагов, система не знает, кого понизить — оба варианта плохи.

Результат: дёргающийся FPS, визуальный «мусор» (то высокий LOD, то низкий), бесконечные танцы с настройками.

Требования к решению

• Глобальная оптимизация, а не локальные эвристики.

• Учёт важности объектов (gameplay > фон).

• Поддержка групповых бюджетов (тени, VFX, враги).

• Сглаживание смены уровней (нет мерцания).

• Zero-аллокации на кадр.

• Работа для 10 000+ объектов за <1 мс.

Решение: глобальный оптимизатор бюджета рендеринга

AgiqRenderBudget — библиотека для .NET 8.0+, которая за ~0.083 мс распределяет качество для 10 000 объектов, соблюдая глобальные и групповые бюджетные ограничения.

dotnet add package AgiqRenderBudget --version 1.0.1

Ключевые идеи

1. Глобальный бюджет — вы задаёте максимальное время рендеринга (например, 4 мс на все объекты). Аллокатор сам решает, кому дать высокое качество, а кому — низкое.

2. Importance-скор (важность) — вы задаёте, насколько каждый объект важен для геймплея. Близкий враг с ракетницой важнее, чем декоративный куст.

3. Групповые бюджеты — отдельно лимитируете тени, VFX, врагов. Тени не съедят бюджет врагов.

4. Сглаживание — при смене уровня детализации есть «штраф» и минимальное количество кадров удержания. Нет мерцания при каждой микрооптимизации.

5. Zero-аллокации после прогрева — все внутренние буферы переиспользуются.

Чем отличается от встроенных решений

Многие разработчики полагаются на стандартные механизмы своих движков: Unity LOD Group, Unreal LOD, Godot LOD. AgiqRenderBudget решает ту же задачу, но с принципиально другим подходом.

Почему встроенных LOD недостаточно

1. Они не знают, что важно для геймплея

Встроенный LOD смотрит только на расстояние. Куст в 5 метрах получает максимальную детализацию. Босс в 20 метрах — среднюю. Абсурд, но так работают все дистанционные LOD.

AgiqRenderBudget позволяет задать Importance — число от 0 до 1, которое вы определяете сами. Важность может учитывать:

• тип объекта (босс > рядовой враг > куст)

• участие в геймплее (цель квеста > фон)

• текущее состояние (объект под прицелом > объект за спиной)

2. Они не умеют распределять ресурсы между разными категориями

В стандартном подходе тени от 50 объектов конкурируют друг с другом без всякого понимания, чья тень важнее. В результате бюджет теней может быть съеден тенями от кустов, а тень босса — отсутствовать.

AgiqRenderBudget поддерживает GroupBudget. Вы выделяете каждой категории свой лимит:

var groups = new[]{    new GroupBudget(1, 0.45f), // тени: максимум 0.45 мс    new GroupBudget(2, 0.35f), // VFX: 0.35 мс    new GroupBudget(3, 0.55f)  // враги: 0.55 мс};

3. Они не дают контроля над суммарным бюджетом

Встроенные LOD не позволяют сказать: «Я готов потратить на рендеринг всех объектов не более 4 мс». Они просто переключают уровни по дистанции, а суммарное время может быть каким угодно.

AgiqRenderBudget работает в режиме жёсткого бюджетного ограничения. Алгоритм подбирает уровни качества так, чтобы суммарная стоимость не превышала BudgetMs, максимизируя при этом sum(importance × quality).

4. Они дёргаются при переключении

При движении камеры объекты постоянно пересекают границы переключения LOD. Встроенные системы переключают уровень мгновенно, что создаёт заметное мерцание на границах.

AgiqRenderBudget использует сглаживание: штраф за смену уровня (ChangePenalty) и минимальное количество кадров удержания (MinHoldFrames). Это предотвращает бесконечные переключения туда-сюда.

5. Они привязаны к конкретному движку

Unity LOD Group работает только в Unity. Unreal LOD — только в Unreal. Если вы пишете игру на Monogame, Godot или на самописном движке, встроенных LOD просто нет.

AgiqRenderBudget написан на чистом .NET и работает везде, где есть .NET 8.0+ и ваша система рендеринга. Вы сами решаете, как интерпретировать QualityOption.cost и как применять выбранный уровень качества.

Быстрый старт

Шаг 1. Создание оптимизатора и состояния

using AgiqRenderBudget;var optimizer = new AgiqRenderBudgetOptimizer(seed: 123);var state = new RenderBudgetState(); // хранит историю уровней между кадрами

Шаг 2. Определение объектов рендеринга

Каждый объект описывается:

• Importance — насколько объект важен (0.0 – не важен, 1.0 – критичен)

• GroupId — категория (тени, VFX, враги, UI)

• MinLevel — минимальный уровень качества

• PinnedLevel — закреплённый уровень (например, для босса или интерфейса)

• Options[] — массив вариантов качества со стоимостью (в мс) и качеством

var items = new List<RenderItem>();foreach (var obj in scene.Objects){    items.Add(new RenderItem    {        Id = obj.Id,        Importance = obj.IsEnemy ? 0.9f :                      obj.IsDecorative ? 0.1f : 0.5f,        GroupId = obj.Type == "Shadow" ? 1 :                  obj.Type == "VFX" ? 2 : 3,        MinLevel = obj.IsBoss ? 2 : 0,        PinnedLevel = obj.IsUI ? 3 : -1,        Options = new[]        {            new QualityOption(cost: 0.005f, quality: 0.20f),            new QualityOption(cost: 0.012f, quality: 0.45f),            new QualityOption(cost: 0.025f, quality: 0.75f),            new QualityOption(cost: 0.045f, quality: 1.00f)        }    });}

Шаг 3. Определение групповых бюджетов

var groups = new[]{    new GroupBudget(groupId: 1, budgetMs: 0.45f), // тени    new GroupBudget(groupId: 2, budgetMs: 0.35f), // VFX    new GroupBudget(groupId: 3, budgetMs: 0.55f)  // враги};

Шаг 4. Подготовка контекста (один раз при загрузке сцены)

var ctx = optimizer.Prepare(items, groups);

Шаг 5. Оптимизация каждый кадр

var settings = PlatformProfile.PC60.ToSettings(    seed: 123,    improveCap: 2500,    randomMoves: 2);var allocation = optimizer.OptimizeFrame(ctx, settings, state);for (int i = 0; i < allocation.Levels.Length; i++){    scene.Objects[i].SetQualityLevel(allocation.Levels[i]);}

Полный рабочий пример

using AgiqRenderBudget;public class RenderBudgetManager{    private AgiqRenderBudgetOptimizer _optimizer;    private RenderBudgetState _state;    private object _ctx;    private Scene _scene;    public RenderBudgetManager(Scene scene)    {        _scene = scene;        _optimizer = new AgiqRenderBudgetOptimizer(seed: 123);        _state = new RenderBudgetState();                BuildItems();    }    private void BuildItems()    {        var items = new List<RenderItem>();                foreach (var obj in _scene.Objects)        {            float importance = obj.IsEnemy ? 0.9f :                                obj.IsVFX ? 0.6f :                                obj.IsDecorative ? 0.2f : 0.5f;                        int group = obj.Type == "Shadow" ? 1 :                        obj.Type == "VFX" ? 2 :                        obj.IsEnemy ? 3 : 4;                        items.Add(new RenderItem            {                Id = obj.Id,                Importance = importance,                GroupId = group,                MinLevel = obj.IsBoss ? 2 : 0,                PinnedLevel = obj.IsUI ? 3 : -1,                Options = new[]                {                    new QualityOption(0.005f, 0.20f),                    new QualityOption(0.012f, 0.45f),                    new QualityOption(0.025f, 0.75f),                    new QualityOption(0.045f, 1.00f)                }            });        }                var groups = new[]        {            new GroupBudget(1, 0.45f),            new GroupBudget(2, 0.35f),            new GroupBudget(3, 0.55f),            new GroupBudget(4, 2.50f)        };                _ctx = _optimizer.Prepare(items, groups);    }        public void Update()    {        var settings = PlatformProfile.PC60.ToSettings(123, 2500, 2);        var allocation = _optimizer.OptimizeFrame(_ctx, settings, _state);                for (int i = 0; i < allocation.Levels.Length; i++)        {            _scene.Objects[i].SetQualityLevel(allocation.Levels[i]);        }    }}

Производительность

Тестовый стенд: Intel Core i5-11400F, Windows 11, .NET 8, BenchmarkDotNet

10 000 объектов за 0.083 мс — это ~0.5% от кадра (при 60 FPS).

Оставшиеся 16.5 мс — на рендеринг, физику, анимации и логику. Оптимизатор не становится узким местом.

Настройка качества (QualityOption)

Каждый объект предоставляет массив дискретных вариантов качества:

Options = new[]{    new QualityOption(cost: 0.005f, quality: 0.2f), // LOD 0: очень грубо    new QualityOption(cost: 0.012f, quality: 0.45f), // LOD 1: средне    new QualityOption(cost: 0.025f, quality: 0.75f), // LOD 2: хорошо    new QualityOption(cost: 0.045f, quality: 1.0f)   // LOD 3: максимально}

• cost — стоимость рендеринга в миллисекундах (должна быть измерена на целевой платформе).

• quality — абстрактная «полезность» (от 0 до 1). Оптимизатор максимизирует сумму importance × quality при соблюдении бюджетов.

Сглаживание и настройки

BudgetSettings контролирует поведение оптимизатора:

Пример для PC (60 FPS):

var settings = new BudgetSettings(    budgetMs: 4.5f,    timeLimitMs: 0.25f,    improveIterationsCap: 2500,    changePenalty: 0.03f,    maxStepPerFrame: 1,    minHoldFrames: 4);

Пример для мобильного устройства:

var settings = new BudgetSettings(    budgetMs: 2.5f,    timeLimitMs: 0.15f,    improveIterationsCap: 1000,    changePenalty: 0.05f,    maxStepPerFrame: 1,    minHoldFrames: 3);

Интеграция с Unity

using UnityEngine;using AgiqRenderBudget;public class RenderBudgetController : MonoBehaviour{    private AgiqRenderBudgetOptimizer _optimizer;    private RenderBudgetState _state;    private object _ctx;    private LODGroup[] _lodGroups;        void Start()    {        _optimizer = new AgiqRenderBudgetOptimizer(123);        _state = new RenderBudgetState();                _lodGroups = FindObjectsOfType<LODGroup>();        var items = BuildRenderItems(_lodGroups);                _ctx = _optimizer.Prepare(items, CreateGroupBudgets());    }        void Update()    {        var settings = PlatformProfile.PC60.ToSettings(123, 2500, 2);        var allocation = _optimizer.OptimizeFrame(_ctx, settings, _state);                for (int i = 0; i < allocation.Levels.Length; i++)        {            SetLODLevel(_lodGroups[i], allocation.Levels[i]);        }    }}

Бесплатное тестирование — без ограничений. Коммерческое использование требует лицензии.

NuGet: https://www.nuget.org/packages/AgiqRenderBudget

GitHub (бенчмарки): https://github.com/likeslines-maker/agiq-render-budget

AgiqRenderBudget решает задачу, с которой не справляются встроенные LOD Unity и Unreal: глобальное распределение бюджета рендеринга между тысячами объектов с учётом их важности для геймплея.

В отличие от дистанционных LOD, библиотека:

• Учитывает важность объектов (gameplay > фон).

• Поддерживает групповые бюджеты (тени, VFX, враги).

• Даёт контроль над суммарным бюджетом в миллисекундах.

• Сглаживает смену уровней (нет мерцания).

• Работает на любом .NET-движке (Unity, Godot, Monogame).

Если ваша игра страдает от нестабильного FPS или визуального «мусора» — попробуйте глобальную оптимизацию вместо локальных эвристик.