Unity 性能优化 Draw Call

Unity（或者说基本所有图形引擎）生成一帧画面的处理过程大致可以这样简化描述：引擎首先经过简单的可见性测试，确定摄像机可以看到的物体，然后把这些物体的顶点（包括本地位置、法线、UV等），索引（顶点如何组成三角形），变换（就是物体的位置、旋转、缩放、以及摄像机位置等），相关光源，纹理，渲染方式（由材质/Shader决定）等数据准备好，然后通知图形API——或者就简单地看作是通知GPU——开始绘制，GPU基于这些数据，经过一系列运算，在屏幕上画出成千上万的三角形，最终构成一幅图像。

在Unity中，每次引擎准备数据并通知GPU的过程称为一次Draw Call。这一过程是逐个物体进行的，对于每个物体，不只GPU的渲染，引擎重新设置材质/Shader也是一项非常耗时的操作。因此每帧的Draw Call次数是一项非常重要的性能指标，对于iOS来说应尽量控制在20次以内，这个值可以在编辑器的Statistic窗口看到。

Unity内置了Draw Call Batching技术，从名字就可以看出，它的主要目标就是在一次Draw Call中批量处理多个物体。只要物体的变换和材质相同，GPU就可以按完全相同的方式进行处理，即可以把它们放在一个Draw Call中。Draw Call Batching技术的核心就是在可见性测试之后，检查所有要绘制的物体的材质，把相同材质的分为一组（一个Batch），然后把它们组合成一个物体（统一变换），这样就可以在一个Draw Call中处理多个物体了（实际上是组合后的一个物体）。

但Draw Call Batching存在一个缺陷，就是它需要把一个Batch中的所有物体组合到一起，相当于创建了一个与这些物体加起来一样大的物体，与此同时就需要分配相应大小的内存。这不仅会消耗更多内存，还需要消耗CPU时间。特别是对于移动的物体，每一帧都得重新进行组合，这就需要进行一些权衡，否则得不偿失。但对于静止不动的物体来说，只需要进行一次组合，之后就可以一直使用，效率要高得多。

Unity提供了Dynamic Batching和Static Batching两种方式。Dynamic Batching是完全自动进行的，不需要也无法进行任何干预，对于顶点数在300以内的可移动物体，只要使用相同的材质，就会组成Batch。Static Batching则需要把静止的物体标记为Static，然后无论大小，都会组成Batch。如前文所说，Static Batching显然比Dynamic Batching要高效得多，于是，Static Batching功能是收费的……

要有效利用Draw Call Batching，首先是尽量减少场景中使用的材质数量，即尽量共享材质，对于仅纹理不同的材质可以把纹理组合到一张更大的纹理中（称为Texture Atlasing）。然后是把不会移动的物体标记为Static。此外还可以通过CombineChildren脚本（Standard Assets/Scripts/Unity Scripts/CombineChildren）手动把物体组合在一起，但这个脚本会影响可见性测试，因为组合在一起的物体始终会被看作一个物体，从而会增加GPU要处理的几何体数量，因此要小心使用。

对于复杂的静态场景，还可以考虑自行设计遮挡剔除算法，减少可见的物体数量同时也可以减少Draw Call。

总之，理解Draw Call和Draw Call Batching原理，根据场景特点设计相应的方案来尽量减少Draw Call次数才是王道，其它方面亦然。

Draw Call Batching （绘制调用批处理）

 

To draw an object on the screen, the engine has to issue a draw call to the graphics API (OpenGL ES in the case of iOS). Every single draw call requires a significant amount of work on the part of the graphics API, causing significant performance overhead on the CPU side.

在屏幕上渲染物体，引擎需要发出一个绘制调用来访问图形API（iOS系统中为OpenGL ES）。每个绘制调用需要进行大量的工作来访问图形API，从而导致了CPU方面显著的性能开销。

 

Unity combines a number of objects at runtime and draws them together with a single draw call. This operation is called "batching". The more objects Unity can batch together, the better rendering performance you will get.

Unity在运行时可以将一些物体进行合并，从而用一个绘制调用来渲染他们。这一操作，我们称之为“批处理”。一般来说，Unity批处理的物体越多，你就会得到越好的渲染性能。

 

Built-in batching support in Unity has significant benefit over simply combining geometry in the modeling tool (or using theCombineChildren script from the Standard Assets package). Batching in Unity happensafter visibility determination step. The engine does culling on each object individually, and the amount of rendered geometry is going to be the same as without batching. Combining geometry in the modeling tool, on the other hand, prevents effecient culling and results in much higher amount of geometry being rendered.

Unity中内建的批处理机制所达到的效果要明显强于使用几何建模工具（或使用Standard Assets包中的CombineChildren脚本）的批处理效果。这是因为，Unity引擎的批处理操作是在物体的可视裁剪操作之后进行的。Unity先对每个物体进行裁剪，然后再进行批处理，这样可以使渲染的几何总量在批处理前后保持不变。但是，使用几何建模工具来拼合物体，会妨碍引擎对其进行有效的裁剪操作，从而导致引擎需要渲染更多的几何面片。

 

Materials

材质

Only objects sharing the same material can be batched together. Therefore, if you want to achieve good batching, you need to share as many materials among different objects as possible.

只有拥有相同材质的物体才可以进行批处理。因此，如果你想要得到良好的批处理效果，你需要在程序中尽可能地复用材质和物体。

 

If you have two identical materials which differ only in textures, you can combine those textures into a single big texture - a process often calledtexture atlasing. Once textures are in the same atlas, you can use single material instead.

如果你的两个材质仅仅是纹理不同，那么你可以通过 纹理拼合 操作来将这两张纹理拼合成一张大的纹理。一旦纹理拼合在一起，你就可以使用这个单一材质来替代之前的两个材质了。

 

If you need to access shared material properties from the scripts, then it is important to note that modifyingRenderer.material will create a copy of the material. Instead, you should useRenderer.sharedMaterial to keep material shared.

如果你需要通过脚本来访问复用材质属性，那么值得注意的是改变Renderer.material将会造成一份材质的拷贝。因此，你应该使用Renderer.sharedMaterial来保证材质的共享状态。

 

Dynamic Batching

动态批处理

Unity can automatically batch moving objects into the same draw call if they share the same material.

如果动态物体共用着相同的材质，那么Unity会自动对这些物体进行批处理。

 

Dynamic batching is done automatically and does not require any additional effort on your side.

动态批处理操作是自动完成的，并不需要你进行额外的操作。

 

Tips:

提醒：

1、      Batching dynamic objects has certain overheadper vertex, so batching is applied only to meshes containing less than900 vertex attributes in total.

             批处理动态物体需要在每个顶点上进行一定的开销，所以动态批处理仅支持小于900顶点的网格物体。

 

2、      If your shader is using Vertex Position, Normal and single UV, then you can batch up to 300 verts and if your shader is using Vertex Position, Normal, UV0, UV1 and

            Tangent, then only 180 verts.

            Please note: attribute count limit might be changed in future

            如果你的着色器使用顶点位置，法线和UV值三种属性，那么你只能批处理300顶点以下的物体；如果你的着色器需要使用顶点位置，法线，UV0，UV1和切向量，那你只

            能批处理180顶点以下的物体。

            请注意：属性数量的限制可能会在将来进行改变。

 

4、      Don't use scale. Objects with scale (1,1,1) and (2,2,2) won't batch.

            不要使用缩放尺度（scale）。分别拥有缩放尺度(1,1,1)和(2,2,2)的两个物体将不会进行批处理。

 

5、      Uniformly scaled objects won't be batched with non-uniformly scaled ones.

            统一缩放尺度的物体不会与非统一缩放尺度的物体进行批处理。

           Objects with scale (1,1,1) and (1,2,1) won't be batched. On the other hand (1,2,1) and (1,3,1) will be.

           使用缩放尺度(1,1,1)和 (1,2,1)的两个物体将不会进行批处理，但是使用缩放尺度(1,2,1)和(1,3,1)的两个物体将可以进行批处理。

 

6、     Using different material instances will cause batching to fail.

           使用不同材质的实例化物体（instance）将会导致批处理失败。

 

7、     Objects with lightmaps have additional (hidden) material parameter: offset/scale in lightmap, so lightmapped objects won't be batched (unless they point to same

           portions of lightmap)

           拥有lightmap的物体含有额外（隐藏）的材质属性，比如：lightmap的偏移和缩放系数等。所以，拥有lightmap的物体将不会进行批处理（除非他们指向lightmap的同一

           部分）。

 

8、     Multi-pass shaders will break batching. E.g. Almost all unity shaders supports several lights in forward rendering, effectively doing additional pass for them

           多通道的shader会妨碍批处理操作。比如，几乎unity中所有的着色器在前向渲染中都支持多个光源，并为它们有效地开辟多个通道。

 

9、     Using instances of a prefab automatically are using the same mesh and material.

           预设体的实例会自动地使用相同的网格模型和材质。

 

Static Batching

静态批处理

 

Static batching, on the other hand, allows the engine to reduce draw calls for geometry of any size (provided it does not move and shares the same material). Static batching is significantly more efficient than dynamic batching. You should choose static batching as it will require less CPU power.

相对而言，静态批处理操作允许引擎对任意大小的几何物体进行批处理操作来降低绘制调用（只要这些物体不移动，并且拥有相同的材质）。因此，静态批处理比动态批处理更加有效，你应该尽量低使用它，因为它需要更少的CPU开销。

 

In order to take advantage of static batching, you need explicitly specify that certain objects are static and willnot move, rotate or scale in the game. To do so, you can mark objects as static using the Static checkbox in the Inspector:

为了更好地使用静态批处理，你需要明确指出哪些物体是静止的，并且在游戏中永远不会移动、旋转和缩放。想完成这一步，你只需要在检测器（Inspector）中将Static复选框打勾即可，如下图所示：

 

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.

使用静态批处理操作需要额外的内存开销来储存合并后的几何数据。在静态批处理之前，如果一些物体共用了同样的几何数据，那么引擎会在编辑以及运行状态对每个物体创建一个几何数据的备份。这并不总是一个好的想法，因为有时候，你将不得不牺牲一点渲染性能来防止一些物体的静态批处理，从而保持较少的内存开销。比如，将浓密森里中树设为Static，会导致严重的内存开销。

 

Static batching is only available in Unity iOS Advanced.

静态批处理目前只支持Unity iOS Advanced。

 

 

备注：最近一直在研究Unity3D的性能优化问题，这段时间可能会多翻译这方面的文章。

前两天，MadFinger，就是当今iOS与Android上画质最牛逼闪闪的游戏之一——ShadowGun的开发商，令人惊异地放出了一个ShadowGun的样例关卡以及若干可免费使用的Shader，国外同行们的分享精神真的是令人赞叹不已。原文在这里，以下是我的一些摘录和笔记。

首先是一些优化常识。针对图形方面的优化主要包括三角形数量，纹理所占内存，以及Shader，前两项基本没什么好讲的，针对设备机能的限制制定相应的指标即可，所以Shader就成为了图形性能优化的关键。

Alpha blending

在Unity官方文档中讲，由于硬件原因，在iOS设备上使用alpha-test会造成很大的性能开销，应尽量使用alpha-blend代替。这里提到，在同屏使用alpha-blend的面数，尤其是这些面所占屏幕面积的大小，对性能也会造成很大影响。原因是使用alpha-blend的面会造成overdraw的增加，这尤其对低性能设备的影响很大。不过没有购买Pro版，没有Occlusion Culling功能的话，就不必顾虑这一问题了，反正overdraw是必然的。

复杂的Per-pixel shader

Per-pixel shader即Fragment shader，顾名思义是要对每个渲染到屏幕上的像素做处理的shader，如果per-pixel shader比较复杂且需要处理的像素很多时，也就是使用该shader的面占屏幕面积很大时，对性能的影响甚至要超过alpha blending。因此复杂的per-pixel shader只适用于小物体。

下面是对几个Shader的逐一讲解：

Environment specular maps(Shader Virtual Gloss Per Vertex Additive)

Specular map通常都是利用贴图的alpha通道来定义物体表面的光滑程度（反光度），这个shader的特点是per-vertex计算反光度的，有着相当不错的效果的同时比per-pixel的shader性能要高得多。这个shader很适用于关卡环境等占很大区域的模型。

经过优化的动态角色光照和阴影(Light probes和BRDF Shader)

传统的Lightmaps无法支持动态物体，对此Unity提供了Light probes技术，预先把动态物体的光照信息保存在代理对象(即Light probes)中，运行时动态物体从距离最近的Probe中获取光照信息。

Unity本身还提供了一个效果非常棒的专为移动设备优化过的角色Shader，支持Diffuse、Specular和Normal maps，并通过一个特殊的脚本生成贴图用于模仿BRDF光照效果。最终产生的效果堪比次时代大作中的角色光影效果。

雾和体积光(Shader Blinking Godrays)

目前在移动设备上要开启真正的雾效基本不可行，ShadowGun的方案是通过简单的网格＋透明贴图(称为雾面)来模拟雾效。在玩家靠近时，雾面逐渐变淡，同时fog plane的顶点也会移开(即使完全透明的alpha面也会消耗很多渲染时间)。

使用这个Shader的网格需要经过处理：

• 顶点的alpha值用于决定顶点是否可以移动(在例子中0为不可动，1为可动)。
• 顶点法线决定移动的方向
• 然后Shader通过计算与观察者的距离来控制雾面的淡入/淡出。

这个Shader还可以用来做体积光和其它一些alpha效果。

飞机坠毁的浓烟效果(Shader Scroll 2 Layers Sine Alpha-blended)

通过粒子产生浓烟的代价太高，所以ShadowGun中使用了网格＋贴图动画来制作这个效果。通过混合两层贴图并让它们交错移动来产生动画效果。其中顶点alpha值用于让网格的边缘看起来比较柔和，同时使用顶点颜色来模拟从火焰到烟雾的过渡效果。

带动态效果的天空盒(Shader Scroll 2 Layers Multiplicative)

通过两张贴图的混合和移动产生云的动态效果。

旗帜和衣服的飘动效果(Shader Lightmap + Wind)

同样利用顶点alpha值决定哪些顶点可以移动，然后shader的参数用于调整摆动的方向和速度。

http://blog.sina.com.cn/s/blog_3d886e670101qpb6.html