Unity教程之再谈Unity中的优化技术

这是从 Unity教程之再谈Unity中的优化技术 这篇文章里提取出来的一部分，这篇文章让我学到了挺多可能我应该知道却还没知道的知识，写的挺好的

 

优化几何体

 

这一步主要是为了针对性能瓶颈中的”顶点处理“一项。这里的几何体就是指组成场景中对象的网格结构。

 

3D游戏制作都由模型制作开始。而在建模时，有一条我们需要记住： 尽可能减少模型中三角形的数目，一些对于模型没有影响、或是肉眼非常难察觉到区别的顶点都要尽可能去掉。例如在下面左图中，正方体内部很多顶点都是不需要的，而把这个模型导入到Unity里就会是右面的情景：

 

 

在Game视图下，我们可以查看场景中的三角形数目和顶点数目：

 

可以看到一个简单的正方形就产生了这么多顶点，这是我们不希望看到的。

 

同时， 尽可能重用顶点。在很多三维建模软件中，都有相应的优化选项，可以自动优化网格结构。最后优化后，一个正方体可能只剩下8个顶点：

 

 

它对应的顶点数和三角形数目如下：

 

 

等等！这里，你可能要问了，为什么顶点数是24，而不是8呢？美术朋友们经常会遇到这样的问题，就是建模软件里显示的模型顶点数和Unity中的不一样，通常Unity会多很多。谁才是对的呢？其实，它们是站在不同的角度上计算的，都有各自的道理，但我们真正应该关心的是Unity里的数目。

 

我们这里简单解释一下。三维软件里更多地是站在我们人类的角度理解顶点的，即我们看见的一个点就是一个。而Unity是站在GPU的角度上，去计算顶点数目的。而在GPU看来，看起来是一个的很有可能它要分开处理，从而就产生了额外的顶点。这种将顶点一分为多的原因，主要有两个：一个是UV splits，一个是Smoothing splits。而它们的本质其实都是因为对于GPU来说，顶点的每一个属性和顶点之间必须是一对一的关系。UV splits的产生，是因为建模时，一个顶点的UV坐标有多个。例如之前的立方体的例子，由于每个面都有共同的顶点，因此在不同面上，同一个顶点的UV坐标可能发生改变。这对于GPU来说，这是不可理解的，因此它必须把这个顶点拆分成两个具有不同UV坐标的定顶点，它才甘心。而Smoothing splits的产生也是类似的，不同的时，这次一个顶点可能会对应多个法线信息或切线信息。这通常是因为我们要决定一个边是一条Hard Edge还是Smooth Edge。Hard Edge通常是下面这样的效果（注意中间的折痕部分）：

 

 

而如果观察它的顶点法线，就会发现，折痕处每个顶点其实包含了两个不同的法线。因此，对于GPU来说，它同样无法理解这样的事情，因此会把顶点一分为二。而相反，Smooth Edge则是下面的情况：

 

 

对于GPU来说，它本质上只关心有多少个顶点。因此，尽可能减少顶点的数目其实才是我们真正对需要关心的事情。因此，最后一条优化建议就是： 移除不必要的 Hard Edge以及纹理衔接，即避免 Smoothing splits和UV splits。

 

 

使用LOD（Level of detail）技术

 

LOD技术有点类似于Mipmap技术，不同的是，LOD是对模型建立了一个模型金字塔，根据摄像机距离对象的远近，选择使用不同精度的模型。它的好处是可以在适当的时候大量减少需要绘制的顶点数目。它的缺点同样是需要占用更多的内存，而且如果没有调整好距离的话，可能会造成模拟的突变。

 

在Unity中，可以通过 LOD Group来实现LOD技术：

 

 

 

 

通过上面的LOD Group面板，我们可以选择需要控制的模型以及距离设置。下面展示了油桶从一个完整网格到简化网格，最后完全被剔除的例子：

 

     

 

 

使用遮挡剔除（Occlusion culling）技术

 

遮挡剔除是用来消除躲在其他物件后面看不到的物件，这代表资源不会浪费在计算那些看不到的顶点上，进而提升性能。关于遮挡剔除，Unity Taiwan有一个系列文章大家可以看看（需FQ）：

 

Unity 4.3 关于Occlusion Culling : 基本篇

 

Unity 4.3 关于Occlusion Culling : 最佳做法

 

Unity 4.3 关于Occlusion Culling : 错误诊断

 

 

具体的内容大家可以自行查找。

 

 

现在我们来谈像素优化。

 

 

像素优化

 

 

像素优化的重点在于减少overdraw。之前提过，overdraw指的就是一个像素被绘制了多次。关键在于控制绘制顺序。

 

Unity还提供了查看 overdraw的视图，在Scene视图的Render Mode->Overdraw。当然这里的视图只是提供了查看物体遮挡的层数关系，并不是真正的最终屏幕绘制的overdraw。也就是说，可以理解为它显示的是如果没有使用任何深度检验时的overdraw。这种视图是通过把所有对象都渲染成一个透明的轮廓，通过查看透明颜色的累计程度，来判断物体的遮挡。

 

 

上图图，红色越是浓重的地方表示overdraw越严重，而且这里涉及的都是透明物体，这意味着性能将会受到很大影响。

 

控制绘制顺序

 

需要控制绘制顺序，主要原因是为了最大限度的避免overdraws，也就是同一个位置的像素可以需要被绘制多变。在PC上，资源无限，为了得到最准确的渲染结果，绘制顺序可能是从后往前绘制不透明物体，然后再绘制透明物体进行混合。但在移动平台上，这种会造成大量overdraw的方式显然是不适合的，我们应该尽量从前往后绘制。从前往后绘制之所以可以减少overdraw，都是因为深度检验的功劳。

 

在Unity中，那些Shader中被设置为“Geometry” 队列的对象总是从前往后绘制的，而其他固定队列（如“Transparent”“Overla”等）的物体，则都是从后往前绘制的。这意味这，我们可以尽量把物体的队列设置为“Geometry” 。

 

而且，我们还可以充分利用Unity的队列来控制绘制顺序。例如，对于天空盒子来说，它几乎覆盖了所有的像素，而且我们知道它永远会在所有物体的后面，因此它的队列可以设置为“Geometry+1”。这样，就可以保证不会因为它而造成overdraws。

 

 

 

批处理（Batching）

 

这方面的优化教程想必是最多的了。最常见的就是通过批处理（Batching）了。从名字上来理解，就是一块处理多个物体的意思。那么什么样的物体可以一起处理呢？答案就是 使用同一个材质的物体。这是因此，对于使用同一个材质的物体，它们之间的不同仅仅在于顶点数据的差别，即使用的网格不同而已。我们可以把这些顶点数据合并在一起，再一起发送给GPU，就可以完成一次批处理。

 

Unity中有 两种批处理方式：一种是动态批处理，一种是静态批处理。对于动态批处理来说，好消息是一切处理都是自动的，不需要我们自己做任何操作，而且物体是可以移动的，但坏消息是，限制很多，可能一不小心我们就会破坏了这种机制，导致Unity无法批处理一些使用了相同材质的物体。对于静态批处理来说，好消息是自由度很高，限制很少，坏消息是可能会占用更多的内存，而且经过静态批处理后的所有物体都不可以再移动了。

 

首先来说动态批处理。 Unity进行动态批处理的条件是，物体使用同一个材质并且满足一些特定条件。Unity总是在不知不觉中就为我们做了动态批处理。例如下面的场景：

 

 

 

这个场景共包含了4个物体，其中两个箱子使用了同一个材质。可以看到，它的Draw Calls现在是3，并且显示Save by batching是1，也就是说，Unity靠Batching为我们节省了1个Draw Call。下面，我们来把其中一个箱子的大小随便改动一下，看看会发生什么：

 

 

可以发现，Draw Calls变成了4，Save by batching的数目也变成了0。这是为什么呢？它们明明还是只使用了一个材质啊。原因就是前面提到的那些需要满足的其他条件。动态批处理虽然自动得令人感动，但它对模型的要求很多：

• 顶点属性的最大限制为900，而且未来有可能会变。不要依赖这个数据。
• 一般来说，那么所有对象都必须需要使用同一个缩放尺度（可以是(1, 1, 1)、(1, 2, 3)、(1.5, 1.4, 1.3)等等，但必须都一样）。但如果是非统一缩放（即每个维度的缩放尺度不一样，例如(1, 2, 1)），那么如果所有的物体都使用不同的非统一缩放也是可以批处理的。这个要求很怪异，为什么批处理会和缩放有关呢？这和Unity背后的技术有关系，有兴趣的可以自行谷歌，比如这里。
• 使用lightmap的物体不会批处理。多passes的shader会中断批处理。接受实时阴影的物体也不会批处理。

 

上述除了最常见的由于缩放导致破坏批处理的情况，还有就是顶点属性的限制。例如，在上面的场景中我们添加之前未优化后的箱子模型：

 

 

可以看到Draw Calls一下子变成了5。这是因为新添加的箱子模型中，包含了474个顶点，而它使用的顶点属性有位置、UV坐标、法线等信息，使用的总和超过了900。

 

 

动态批处理的条件这么多，一不小心它就不干了，因此Unity提供了另一个方法，静态批处理。接着上面的例子，我们保持修改后的缩放，但把四个物体的“Static Flag”勾选上：

 

点击Static后面的三角下拉框，我们会看到其实这一步设置了很多东西，这里我们想要的只是“Batching static”一项。这时我们再看Draw Calls，恩，还是没有变化。但是不要急，我们点击运行，变化出现了：

 

 

Draw Calls又回到了3，并且显示Save by batching是1。这就是得利于静态批处理。而且，如果我们在运行时刻查看模型的网格，会发现它们都变成了一个名为Combined Mesh (roo: scene)的东西。这个网格是Unity合并了所有标识为“Static”的物体的结果，在我们的例子里，就是四个物体：

 

 

你可以要问了，这四个对象明明不是都使用了一个材质，为什么可以合并成一个呢？如果你仔细观察上图的话，会发现里面标明了“4 submeshes”，也就是说，这个合并后的网格其实包含了4个子网格，也就是我们的四个对象。对于合并后后的网格，Unity会判断其中使用同一个材质的子网格，然后对它们进行批处理。

 

但是，我们再细心点可以发现，我们的箱子使用的其实是同一个网格，但合并后却变成了两个。而且，我们观察运行前后Stats窗口中的“VBO total”，它的大小由241.6KB变成了286.2KB，变大了！还记得静态批处理的缺点吗？就是可能会占用更多的内存。 文档中是这样写的：

 

“Using static batching will require additional memory for storing the combined geometry. If several objects shared the same geometry before static batching, then a copy of geometry will be created for each object, either in the Editor or at runtime. This might not always be a good idea – sometimes you will have to sacrifice rendering performance by avoiding static batching for some objects to keep a smaller memory footprint. For example, marking trees as static in a dense forest level can have serious memory impact.”

 

 

也就是说，如果在静态批处理前有一些物体共享了相同的网格（例如这里的两个箱子），那么每一个物体都会有一个该网格的复制品，即一个网格会变成多个网格被发送给GPU。在上面的例子看来，就是VBO的大小明显增大了。如果这类使用同一网格的对象很多，那么这就是一个问题了，这种时候我们可能需要避免使用静态批处理，这意味着牺牲一定的渲染性能。例如，如果在一个使用了1000个重复树模型的森林中使用静态批处理，那么结果就会产生1000倍的内存，这会造成严重的内存影响。这种时候，解决方法要么我们可以忍受这种牺牲内存换取性能的方法，要么不要使用静态批处理，而使用动态批处理（前提是大家使用相同的缩放大小，或者大家都使用不同的非统一缩放大小），或者自己编写批处理的方法。当然，我认为最好的还是使用动态批处理来解决。

 

有一些小提示可以使用：

• 尽可能选择静态批处理，但得时刻小心对内存的消耗。
• 如果无法进行静态批处理，而要使用动态批处理的话，那么请小心上面提到的各种注意事项。例如：
  • 尽可能让这样的物体少并且尽可能让这些物体包含少量的顶点属性。
  • 不要使用统一缩放，或者都使用不同的非统一缩放。
• 对于游戏中的小道具，例如可以捡拾的金币等，可以使用动态批处理。
• 对于包含动画的这类物体，我们无法全部使用静态批处理，但其中如果有不动的部分，可以把这部分标识成“Static”。

 

一些讨论：

 

How static batching works

 

Static batching use a ton of memory?

 

Unity3D draw call optimization

 

 

 

利用网格的顶点数据

 

但有时，除了纹理不同外，还有对于不同的物体，它们在材质上还有一些微小的参数变化，例如颜色不同、某些浮点参数不同。但铁定律是， 不管是动态批处理还是静态批处理，它们的前提都是要使用同一个材质。是同一个，而不是同一种，也就是说它们指向的材质必须是同一个实体。这意味着，只要我们调整了参数，就会影响到所有使用这个材质的对象。那么想要微小的调整怎么办呢？由于Unity中的规定非常死，那么我们只好想些“歪门邪道”，其中一种就是使用网格的顶点数据（最常见的就是顶点颜色数据）。

 

前面说过，经过批处理后的物体会被处理成一个VBO发送给GPU，VBO中的数据可以作为输入传递给Vertex Shader，因此我们可以巧妙地对VBO中的数据进行控制，从而达到不同效果的目的。一个例子是，还是之前的森林，所有的树使用了同一种材质，我们希望它们可以通过动态批处理来实现，但不同树的颜色可能不同。这时我么可以利用网格的顶点数据来调整。具体方法，可以参见后面会写的一篇文章。

 

但这种方法的缺点就是会需要更多的内存来存储这些用于调整参数用的顶点数据。没办法，永远没有绝对完美的方法。

 

 

 

带宽优化

 

 

减少纹理大小

 

之前提到过，使用Texture Atlas可以帮助减少Draw Calls，而这些纹理的大小同样是一个需要考虑的问题。在这之前要提到一个问题就是，所有纹理的长宽比最好是正方形，而且长度值最好是2的整数幂。这是因为有很多优化策略只有在这种时候才可以发挥最大效用。

 

Unity中查看纹理参数可以通过纹理的面板：

 

 

而调整参数可以通过纹理的Advance面板：

 

 

 

上面各种参数的说明可以参见 文档。其中和优化相关的主要有“Generate Mip Maps”、“Max Size”和“Format”几个选项。

 

“Generate Mip Maps”会为同一张纹理创建出很多不同大小的小纹理，构成一个纹理金字塔。而在游戏中可以根据距离物体的远近，来动态选择使用哪一个纹理。这是因为，在距离物体很远的时候，就算我们使用了非常精细的纹理，但肉眼也是分辨不出来的，这种时候完全可以使用更小、更模糊的纹理来代替，而这大量可以节省访问的像素的数目。但它的缺点是，由于需要为每一个纹理建立一个图像金字塔，因此它会需要占用更多的内存。例如上面的例子，在勾选“Generate Mip Maps”前，内存占用是0.5M，而勾选了“Generate Mip Maps”后，就变成了0.7M。除了内存的占用以外，一些时候我们也不希望使用 Mipmaps，例如GUI纹理等。我们还可以在面板中查看生成的Mip Maps：

 

 

Unity中还提供了查看场景中物体的Mip Maps的使用情况。更确切的说是，展示了物体理想的纹理大小。其中红色表示这个物体可以使用更小的纹理，蓝色表示应该使用更大的纹理。

 

 

“Max Size”决定了纹理的长宽值，如果我们使用的纹理本身超过了这个最大值，Unity会对其进行缩小来满足这个条件。这里再重复一点，所有纹理的长宽比最好是正方形，而且长度值最好是2的整数幂。这是因为有很多优化策略只有在这种时候才可以发挥最大效用。

 

“Format”负责纹理使用的压缩模式。通常选择这种自动模式就可以了，Unity会负责根据不同的平台来选择合适的压缩模式。而对于GUI类型的纹理，我们可以根据对画质的要求来选择是否进行压缩，具体可以参见之前 关于画质的文章。

 

 

我们还可以根据不同的机器来选择使用不同分辨率的纹理，以便让游戏在某些老机器上也可以运行。