如何在Unity主线程外高效实现Raycast？求性能优化方案

问题背景 #

需要为静态Mesh生成顶视高度图，最初采用Unity内置Physics.Raycast会阻塞主线程，移至子线程又受Unity物理机制限制；自行实现的射线检测逻辑功能正常，但因遍历所有采样点并逐个检查全部三角形，运行速度极慢。

优化方案 #

1. 空间划分：大幅减少每个采样点的三角形检查量 #

当前代码无空间剔除逻辑，每个采样点都遍历所有三角形，这是核心性能瓶颈。通过预划分空间将三角形分组，采样时仅检查目标点所在区域的三角形：

• 网格空间划分：将Mesh的x-z范围拆分为若干单元格，把每个三角形存入其覆盖的单元格；采样时仅检查当前点所在单元格及相邻单元格内的三角形。
• AABB树：为所有三角形构建层次包围盒树，通过树结构快速剔除不可能与采样点相交的三角形。

网格划分示例代码：

// 预处理：构建三角形空间网格
struct TriangleData {
    public Vector3 p0, p1, p2;
    public float nx, nz, d; // 预计算平面系数
    public float minX, maxX, minZ, maxZ; // x-z包围盒
}

List<TriangleData>[,] spatialGrid;
int gridXCount = 32; // 根据Mesh范围调整
int gridZCount = 32;

// 初始化网格
spatialGrid = new List<TriangleData>[gridXCount, gridZCount];
for(int x = 0; x < gridXCount; x++)
    for(int z = 0; z < gridZCount; z++)
        spatialGrid[x, z] = new List<TriangleData>();

// 填充网格
foreach(var tri in preprocessedTriangles) {
    int startX = WorldToGrid(tri.minX, gridXCount, meshMinX, meshMaxX);
    int endX = WorldToGrid(tri.maxX, gridXCount, meshMinX, meshMaxX);
    int startZ = WorldToGrid(tri.minZ, gridZCount, meshMinZ, meshMaxZ);
    int endZ = WorldToGrid(tri.maxZ, gridZCount, meshMinZ, meshMaxZ);

    for(int x = startX; x <= endX; x++)
        for(int z = startZ; z <= endZ; z++)
            spatialGrid[x, z].Add(tri);
}

// 采样逻辑：仅检查目标点所在区域的三角形
for(int i = 0; i < xArray.Length; i++){
    for(int j = 0; j < zArray.Length; j++){
        float y = float.PositiveInfinity;
        bool isHit = false;
        int gridX = WorldToGrid(xArray[i], gridXCount, meshMinX, meshMaxX);
        int gridZ = WorldToGrid(zArray[j], gridZCount, meshMinZ, meshMaxZ);

        // 检查当前单元格及相邻单元格（避免边界漏检）
        for(int dx = -1; dx <= 1; dx++){
            for(int dz = -1; dz <= 1; dz++){
                int cx = gridX + dx;
                int cz = gridZ + dz;
                if(cx < 0 || cx >= gridXCount || cz < 0 || cz >= gridZCount) continue;
                foreach(var tri in spatialGrid[cx, cz]){
                    // 先判断采样点是否在三角形x-z包围盒内
                    if(xArray[i] < tri.minX || xArray[i] > tri.maxX || zArray[j] < tri.minZ || zArray[j] > tri.maxZ)
                        continue;
                    // 原有三角形包含判断及高度计算
                    ...
                }
            }
        }
        if(isHit) topView[i, j] = -y;
    }
}

// 辅助函数：世界坐标转网格坐标
int WorldToGrid(float worldPos, int gridCount, float minWorld, float maxWorld){
    float norm = (worldPos - minWorld) / (maxWorld - minWorld);
    return Mathf.Clamp(Mathf.FloorToInt(norm * gridCount), 0, gridCount - 1);
}

2. 预计算与过滤：减少重复运算与无效检查 #

• 预计算三角形参数：提前计算每个三角形的平面方程系数（y = nx*x + nz*z + d）、x-z包围盒，避免采样时重复计算Vector3.Dot和除法。
• 加强三角形过滤：除了过滤法向量y分量接近0的三角形，还可直接排除法向量y分量为负的三角形（顶视射线向下，这类三角形的交点高度必然低于上方三角形）。
• 替换精确浮点判断：将s != 0、d == 0改为基于epsilon的判断（如s < -1e-6 || s > 1e-6），减少精度问题与分支预测开销。

3. 并行处理：利用多CPU核心加速 #

由于每个采样点的计算完全独立，可使用Parallel.For并行遍历采样点的x或z维度：

float[,] topView = new float[xArray.Length, zArray.Length];
Parallel.For(0, xArray.Length, i => {
    for(int j = 0; j < zArray.Length; j++){
        // 采样逻辑（使用预处理后的空间网格与三角形数据）
        ...
        if(isHit) topView[i, j] = -y;
    }
});

注：需确保所有预处理数据为只读，避免线程安全问题。

4. 替换算法：光栅化思路反转遍历逻辑 #

不再遍历每个采样点检查三角形，而是遍历每个三角形，更新其在x-z平面覆盖的所有采样点：

• 将三角形投影到高度图网格，计算其覆盖的单元格范围，对每个单元格内的采样点计算高度并更新最大值。
• 此方法在三角形数量远少于采样点数量时，效率提升尤为明显。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Anton