游戏开发50课 性能优化8

 

4.2 渲染状态优化

4.2.1 状态缓存

在引擎侧，可以使用状态缓存减少渲染管线的切换。伪代码：

class RenderStateCache
{
public:
    void InitRenderStates();
    {
        for (RenderStateType t=RenderStateType.begin; t 0 && _renderStateCache[state] == value)
        {
            return;
        }
        _renderStateCache[state] = value;
        SetRenderStateToDevice(state, value);
    }

private:
    std::map _renderStateCache;
};

4.2.2 渲染状态建议

• 少用Alpha Blend。开启Alpha Blend了一般会关闭深度测试，无法利用深度测试剔除多余片元，导致片元数量增加，造成过绘制。所以要尽量少用。
• 禁用Alpha Test。现代部分移动端GPU采用了特殊的渲染优化方式，如PowerVR采用Tile Based Deferred Rendering方式（下图右），而Alpha Test会破坏Early-Z优化技术，可用Alpha Blend代替。更多看这里。

• 开启背面裁剪。背面裁剪可以将背向摄像机的面片剔除，减少顶点和片元的数据量。
• 开启MipMaps。开启后，渲染时会自动根据画面尺寸选择合适大小的纹理，从而降低带宽，也可以降低锯齿，提高画质效果。但UI界面不能开启，原因见2.2.3。
• 关闭雾。只在固定管线适用。
• 少用抗锯齿。图形API内置的抗锯齿通常会增加纹理采样次数数倍之多（下图），所以要慎用。

4.3 控制绘制顺序

控制模型绘制顺序的目的是充分利用深度测试，减少片元后续操作。特别是Early-Z技术的引入，此法效果更明显。绘制顺序是：先绘制已做好排序的不透明物体，再绘制Alpha Tested物体，最后渲染透明物体。伪代码:

void Render()
{
    // 1. 绘制不透明物体
    SortOpaqueObjectsInViewSpace(); // 对不透明物体进行排序，须在相机空间，离相机近的排在前面。
    DrawOpaqueObjects();            // 绘制不透明物体，离相机近的先绘制。

    // 2. 绘制Alpha测试物体
    SortAlphaTestedObjectsInViewSpace(); // 对Alpha测试物体进行排序，须在相机空间，离相机近的排在前面。
    DrawAlphaTestedObjects();        　　// 绘制Alpha测试物体，离相机近的先绘制。

    // 3. 绘制透明物体（注意：绘制顺序跟不透明物体刚好相反）
    SortTransparentObjectsInViewSpace(); // 对不透明物体进行排序，须在相机空间，离相机远的排在前面。
    DrawTransparentObjects();            // 绘制不透明物体，离相机远的先绘制。
}

4.4 多线程渲染

在单线程渲染架构中，CPU性能消耗过高会影响GPU的渲染帧率，反之，GPU渲染过慢也会让CPU一直处于等待状态。多线程渲染就是为了解决CPU和GPU相互等待的问题。以Metal/Vulkan等架构出现为界限，将它们分成两个阶段。

4.4.1 软件级多线程渲染

早期的图形API和硬件架构都不支持多线程渲染，此阶段多线程渲染能做的优化比较受限，只能将渲染提交独立成一个线程，使之不会卡逻辑线程。开源图形渲染引擎OGRE的多线程渲染实现方式有两种：

• Middle-level Multithread

  每个渲染物体都有两份实例，主线程改变其中一份数据，在下一帧给渲染线程使用。（下图）

​ 

​ 这种方式实现很复杂，要维护物体的两份实例，也不容易在多核CPU做扩展，不能充分发挥多核CPU的优势。

• Low-level Multithread

  

这种实现方式是将渲染物体的顶点等数据拷贝一份，逻辑线程修改其中一份数据，下一帧给渲染线程使用。除了以上两种方案外，可以给逻辑线程的若干逻辑（如Update/粒子/动画）开辟多个线程（下图），并行计算，缩短整体处理时间。

4.4.2 硬件级多线程渲染

近几年，Metal/Vulkan图形架构横空出世，基于硬件级别的多线程渲染的时代终于到来。它们的特点：

• 轻量化的驱动层。

OpenGL的API和驱动做了很多逻辑封装，用状态机的方式实现渲染（下图左）。而Metal/Vulkan与之不同的是，在驱动层只做少量的工作，为应用程序提供直接访问GPU硬件的接口，属于轻量级封装（下图右）。

 

从API架构上看，Metal/Vulkan的性能已胜出一大筹。

• 支持硬件级的多线程渲染。

Metal/Vulkan支持并行渲染指令，方便CPU各个线程各自提交渲染指令和数据。下图展示的是其中一种渲染方式，由多个线程创建不同的绘制命令，再由单独的线程管理渲染命令队列，统一提交给GPU绘制。

由于图形API已经支持多线程渲染指令提交，再结合上一节讲到的若干方案，将如虎添翼，渲染性能也会发生质的提升。目前主流商业引擎已经支持Metal/Vulkan，Unity2018.3已经支持Metal/Vulkan：

Unity在Rendering设置面板可以开启多线程渲染：