《Unity Shader入门精要》十六、Unity 中的渲染优化技术

• 对问题认识不清以及过度优化往往会让事情变得更加复杂，产生更多问题
• 在游戏开发过程中，从一开始就把优化当成是游戏设计中的一部分
• 优化不仅是程序员的工作，更需要美术人员在美术上进行一定的权衡。如
  • 避免使用全屏屏幕特效
  • 避免使用计算复杂的 shader
  • 减少透明混合造成的 overdraw （一个像素被绘制多次）
  • （等）

16.1 移动平台的特点

• 移动设备上的 GPU 架构专注于尽可能使用更小的带宽和功能
• 由于各 GPU 芯片架构不同，一些游戏往往需要针对不同芯片发布不同版本，以实现更有针对性的优化（尤其是安卓平台）

16.2 影响性能的因素

• 对于一个游戏来说，它主要使用两种计算资源：CPU 和 GPU
  • 它们互相合作，来让游戏可在预期的帧率和分辨率下工作
  • CPU 主要负责保证帧率
  • GPU 主要负责分辨率相关的
• 把造成游戏性能瓶颈的主要原因 分成以下几个方面
  • CPU
    • 过多的 draw call
    • 复杂的脚本或物理模拟
  • GPU
    • 顶点处理
      • 过多的顶点
      • 过多的逐顶点计算
    • 片元处理
      • 过多的片元（分辨率或 overdraw 造成的）
      • 过多的逐片元计算
  • 带宽
    • 使用了尺寸很大且未压缩的纹理
    • 分辨率过高的帧缓存

优化技术

• 对 CPU 来说，限制它的主要是每帧中的 draw call 数目
  • 使用批处理减少 draw call 数量
• 对 GPU 来说，它负责整个渲染流水线
  • 减少需要处理的顶点数量
    • 优化几何体
    • 使用模型的 LOD 技术
    • 使用遮挡剔除技术
  • 减少需要处理的片元数量
    • 控制绘制顺序
    • 警惕透明物体
    • 减少实时光照
  • 减少计算复杂度
    • 使用 shader 的 LOD 技术
    • 优化代码
• 内在带宽
  • 减少纹理大小
  • 利用分辨率缩放

16.3 Unity 中的渲染分析工具

16.3.1 认识渲染统计窗口

• 相较于旧版本，去掉了 draw call 数目的显示，添加了批处理数目的显示（Batches 和 Saved by batching），更容易让开发者理解批处理的优化结果
• 想看 draw call 数目可通过性能分析器来查看

16.3.2 性能分析器的渲染区域

• 注意，性能分析器给出的 draw call 数目和批处理数目、Pass 数目并不相等。因为
  • Unity 在背后需要进行很多工作，需要花费比"预期"更多的 draw call

16.3.3 再谈帧调试器

• 帧调试器的的调试面板上显示了渲染这一帧所需要的所有渲染事件
• 通过单击面板上每个事件，我们可以
  • 在 Game 视图查看该事件的绘制结果
  • 在渲染统计面板上看到截止到当前事件为止的统计数据

16.3.4 其他性能分析工具

• 对于 Android
  • 高通的 Adreno
  • 英伟达的 NVPerfHUD
• 对于 iOS
  • Unity 内置的分析器可得到整个场景花费的 GPU 时间
  • PowerVRAM 的 PVRUniSCo shader 分析器能给出大致的性能评估
  • Xcode 中的 OpenGL ES Driver Instruments 可给出宏观上的性能信息

16.4 减少 draw call 数目

常见的就是批处理

• 原理：渲染一个包含了一千个三角形的网格，比渲染一千个三角形网格的速度要快很多
• 方法
• 使用同一材质的物体可进行批处理（它们之间的差别只在于顶点数据）

16.4.1 动态批处理

• 原理：每帧将满足批处理条件的模型网格进行合并，再传递给 GPU，然后使用同一个材质进行渲染
• 优点：处理后的物体可移动（每帧重新合并网格）
• 合并条件
  • 网格顶点属性规模小于 900（若每个顶点都包含位置、法线和纹理这 3 个属性，则顶点数不能超过 300）
  • 若使用了光照纹理，需保证它们指向纹理中的同一位置
  • 使用单 Pass 的 shader（多 Pass 的 shader 会中断批处理）
• 合并网格操作会对 CPU 造成一定的负担
• 启用方式：
  • Project Settings - Player - Other Settings 中的 Dynamic Batching

16.4.2 静态批处理

• 实现原理：只在运行开始阶段，把需要进行静态批处理的模型合并到一个新的网格中（意味着它们不能移动）
• 优点：只需要进行一次合并，比动态批处理高效
• 缺点：占用更多的内存来存储合并后的几何结构
  • 若使用同一网格的对象很多（会在内存中生成对应数量复制品）
• 启用方式：
  • Project Settings - Player - Other Settings 中的 Static Batching
  • 把物体属性面板上的 Static 勾上

16.4.3 共享材质

• 若两个材质间只有使用的纹理不同，那可把这些纹理合并到一个更大的纹理中，它被称为图集（atlas）
• 若是材质上的参数不一样，就需要用到网格的顶点数据（不是材质属性面板上的）来存储这些参数了

16.4.4 批处理的注意事项

• 优先使用静态批处理，但要注意内存消耗和物体的移动限制
• 要使用动态批处理的话，注意各种条件限制，让这样的物体数量、物体顶点数量和顶点属性尽量少
• 小道具（顶点数少），可使用动态批处理
• 包含动画的物体，其不动的部分，使用静态批处理

16.5 减少需要处理的顶点数目

16.5.1 优化几何体

• 美术人员需负责对模型网格进行优化
• Unity 中显示的模型顶点数，往往要多于 3D 建模软件中显示的顶点数
  • 一个顶点被多个面共享（如立方体的顶点被 3 个面共享），GPU 需要将它拆分为多个顶点，以保存与各面关联的顶点属性
• 最后一条优化建议：移除不必要的硬边及纹理衔接，避免边界平滑和纹理分离

16.5.2 模型的 LOD 技术

• 根据物体与摄像机的距离，动态切换不同精度的网格

16.5.3 遮挡剔除技术

• 用来消除在其他物体后面看不到的物体（摄像机视锥体剔除是剔除掉视锥体以外的物体）

16.6 减少需要处理的片元数目

• 重点在减少 overdraw（同一个像素被绘制了多次）

16.6.1 控制绘制顺序

• 若可以保证物体都是从前往后绘制的，那么就可以很大程度上减少 overdraw
• 渲染不透明物体的渲染队列（如"Background""Geometry"和"AlphaTest）"，它们总体上是从前往后绘制的
• 其他队列（如"Transparent"和"Overlay"等），物体则是从后往前绘制的
• 充分利用 Unity 的渲染队列来控制绘制顺序。拿 FPS 举例
  • 先绘制主要角色，因为它们使用的 shader 往往比较复杂，且占据大部分屏幕
  • 在所有常规不透明物体渲染后，渲染敌方角色，因为它们通常在掩体后面
  • 对于天空盒，它永远出现在所有物体后面，因此将它的队列设置为 Geometry+1

16.6.2 时刻警惕透明物体

• 由于渲染半透明对象没有开启深度写入，因此必须从后往前渲染，这意味着一定会造成 overdraw
• 常见场景：大面积半透明 GUI、很多层相互覆盖的半透明物体、透明粒子效果
• 对于 GUI
  • 减少窗口中 GUI 所占面积
  • 独立摄像机负责绘制

16.6.3 减少实时光照和阴影

• 过多的点光源，且使用了多个 Pass 的 Shader，对移动平台的性能影响非常大
• 很多画面效果看起来包含很多光源的成功游戏作品，其实都是使用一些技巧来骗过我们的眼睛（并没有真正使用光源）
  • 烘焙：把光照提前烘焙到一张光照纹理（lightmap）中，运行时根据纹理采样得到光照结果
  • God Ray：专门模拟小型光源，往往是通过透明纹理模拟得到
• 实时阴影对性能消耗也非常大，优化措施
  • 使用烘焙把静态物体的阴影信息存储到光照纹理中
  • 只对场景中的动态物体使用适当的实时阴影

16.7 节省带宽

16.7.1 减少纹理大小

• 所有纹理的最好是正方形，且长宽值最好是 2 的整数幂

• 应该尽可能使用多级渐远纹理技术（mipmapping）和纹理压缩

• mipmapping 启用方法

  

• 纹理压缩

  • 安卓平台下有很多不同的 GPU 架构，对应有不同的纹理压缩技术
  • Unity 可以根据不同的设备选择不同的压缩格式，我们只需要将纹理压缩格式设置为自动压缩即可
  • GUI 的纹理由于对画质的要求，通常不进行压缩

16.7.2 利用分辨率缩放

16.8 减少计算复杂度

16.8.1 Shader 的 LOD 技术

• Shader 的 LOD 技术可以控制使用的 Shader 等级

• 原理：只有 Shader 的 LOD 值小于某个设定的值，这个 Shader 才会被使用，而使用了那些超过设定值的 Shader 的物体将不会被渲染

• 使用方法：通常在 SubShader 中指明该 shader 的 LOD 值

  SubShader {
      Tags { "RenderType"="Opaque" }
      LOD 200

16.8.2 代码方面的优化

• 游戏需要计算的对象、顶点和像素数目通常的排序是：对象 < 顶点 < 像素，因此尽可能将计算放在对象或逐顶点上
• 尽可能使用低精度的浮点数来计算
  • 高精度数值 float/highp： 适用于存储诸如顶点坐标等变量，但它的计算速度是最慢的，尽量避免在片元着色器中使用高精度进行运算
  • half/midiump：适用于一些标量、纹理坐标等变量
  • fixed/lowp：适用于绝大多数颜色变量和归一化后的方向矢量
• 尽量避免在不同精度之间进行转换
• 尽可能不要使用全屏的屏幕后处理效果
• 尽量把多个特效合并到一个 Shader 中
• 其他常用
  • 尽可能不要使用分支和循环语句
  • 尽可能避免使用类似 sin、tan、pow、log 等较复杂的数学运算（用查表替代）
  • 尽可能不要使用 discard 操作，这会影响硬件的某些优化

16.8.3 根据硬件条件进行缩放

16.9 扩展阅读

• 移动平台优化实践指南 （链接）