Unity Shader 学习笔记（30） Unity中渲染优化技术

Unity Shader 学习笔记（30） Unity中渲染优化技术

参考书籍：《Unity Shader 入门精要》
Unity Shader 学习笔记（1） DrawCall
【U3d】渲染统计窗口详细介绍(Rendering Statistics Window)

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影响性能因素

CPU负责帧率，GPU复杂分辨率。

• 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。
  • 片源处理：
    • 过多的片元。（分辨率高或overdraw）
    • 过多的逐片元计算。
• 带宽
  • 使用尺寸很大且为压缩的纹理。
  • 分辨率过高的帧缓存。

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常见优化技术

• CPU
  • 用批处理技术减速draw call数目。
• GPU
  • 减少顶点数目：
    • 优化几何体。
    • 使用LOD（Level of Detail）技术。
    • 使用遮挡剔除（Occlusion Culling）计算。
  • 减少片元数目：
    • 控制描绘顺序。
    • 警惕透明物体。
    • 减少实时光照。
  • 减少计算复杂度，优化代码。

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渲染统计窗口（Rendering Statistics Window）

信息名称	描述
FPS	frames per seconds，每秒帧数（帧率）。 括号内为渲染一帧需要的时间。
CPU	main：主线程计算时间。 render thread：渲染线程计算时间。
Save by batching	合并的批处理数目，数字代表节省了多少draw call。
Tris & Verts	三角形片面、顶点数目。
Screen	屏幕大小，占用内存大小。
SetPass calls	渲染Pass的数目，每个Pass都需要Unity的runtime来绑定一个新的Shader。
Shadow casters	场景可以投射阴影的物体数量。
Visible skinned meshes	渲染蒙皮网格数目。
Animations	播放动画数目。

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批处理（batching）

同一个材质的物体可以一起处理，不同物体区别在于顶点数。

动态批处理

把每一帧可以批处理的物体合并（每一帧都重新合并），并传递给GPU，使用同一材质渲染。

主要限制条件：

• 网格顶点属性规模要小于900。例如shader中使用顶点位置、法线、纹理坐标这三个顶点属性，顶点数要小于300（3*300 = 900）才能进行批处理。
• 缩放时有奇数个坐标是负值时无法批处理。即xyz值中其中一个为负或同时为负。
• 使用了光照纹理的物体，需要保证光照纹理中的同一位置，才能被批处理。
• 多Pass的shader会中断批处理。如在前向渲染时，要用额外Pass添加更多光照时，无法被动态批处理。

静态批处理

只在开始阶段，把模型合并到一个新网格（即使使用不同材质），使用同一网格的物体都会变成独立网格。即不能在运行时移动。往往需要占用更多内存来合并几何结构（每个物体的都会对应一个网格的复制品，每次发送给GPU都会变成多个网格）。对于除了平行光除了的Pass，其他额外Pass部分都不会进行批处理。

内部实现： 先把静态物体变换到世界空间下，构建一个大的顶点和索引缓存。对于使用同一个材质物体的只需调用一次draw call，对于不同材质物体，会减少draw call之间的状态切换。

共享材质

• 两个材质之间只有纹理不同时，合并纹理得到更大的纹理称为图集（atlas），使用同一张纹理就可使用同一个材质，使用不同采样坐标即可采样。
• 想在同一材质上是设置不同属性（颜色，数值等）时，可以使用网格的顶点数据来存储这些参数。
• 经过批处理后的物体会变成更大的VBO（Vertex Buffer Object, 顶点缓冲对象）发送给GPU，VBO的数据可以传递给顶点着色器。
• 访问共享材质使用Renderer.sharedMaterial，修改会影响所有使用该材质的物体。使用Renderer.material会创建一个该材质的复制品（会破坏批处理对该物体的应用）。

注意事项

• 因为批处理是在世界空间下合并的，所以一些shader在模型空间计算坐标时，会得到错误结果。解决方法是使用DisableBatching标签来禁止该材质批处理。
• 半透明物体需要从后往前的顺序绘制。Unity先保证这个顺序，再尝试批处理。即当渲染顺序无法满足时，批处理无法在这些物体成功应用。

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减少需要处理的顶点数目

在建模软件和Unity中，同一物体在Unity显示顶点数往往多于建模软件显示的。因为建模软件显示顶点数目就是几何体的点数，而Unity是从GPU角度计算顶点数目的。对于GPU，一些顶点需要一分为多：一个是分离纹理坐标（uv splits），另一个是产生平滑的边界（smoothing splits）。
　　本质是因为对GPU来说，每一个属性和顶点都必须一对一的关系。

• 分离纹理坐标，是因为建模时一个顶点的纹理坐标有多个。例如一个立方体，三个面会有一个相交的顶点，而对于不同面，这个顶点对应不同纹理坐标。
• 产生平滑的边界，顶点可能对应多个法线信息或切线信息，通常是因为要决定一个边是硬边（hard edge）还是平滑边（smooth edge）。

优化几何体

• 移除不必要的硬边以及纹理衔接。
• 避免边界平滑和纹理分离。

LOD技术（Level of Detail）

原理：当物体原理摄像机时，减少物体片元数量，提高性能。在用Unity中可以使用LOD Group组件来构建LOD。

遮挡剔除技术（Occlusion Culling）

消除在物体后面看不见的物体。详细可见官网API：Occlusion Culling。
原理：用一个虚拟的摄像机来遍历场景，构建一个对象集合的层级结构。运行时使用这个数据来识别。

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减少需要处理的片元数目

重点在于减少overdraw。overdraw指的是同一个像素被绘制多次。

在场景中选择overdraw可以查看物体互相遮挡层数。

控制绘制顺序

深度测试的存在本身就减少了overdraw。尽可能把物体设置为不透明物体的渲染队列（从前往后渲染），避免半透明队列（从后往前渲染）。对于第一（第三）人称游戏，人造物主角通常先渲染（使用更小渲染队列），对于躲在掩体后面的地方角色，在不透明物体渲染完后再渲染（使用更大渲染队列）。对于天空盒子，可以设置队列为“Geometry + 1”。

警惕透明物体

因为半透明物体几乎都会造成overdraw，类似GUI对象经常会设置成半透明，需要尽可能减少GUI所占面积。或者把GUI绘制和三维场景的绘制分给不同相机处理。
　　在移动平台，透明度测试使用discard或clip操作，会导致硬件优化策略失效，这种时候透明度混合性能比透明度测试好。

减少实时光照和阴影

如场景包含3个点光源，并且使用逐像素的Shader，那draw call数目最多提高3倍（物体要再渲染一次，CPU瓶颈），同时会增加overdraw（无法批处理逐像素光源，GPU瓶颈）。

• 使用烘培技术，先把光照烘培到一张光照纹理（lightmap）中，运行时再对其采样即可。
• 使用God Ray，模拟光源，即透明纹理模拟得到。

对于实时阴影，可以使用烘培把静态物体的阴影信息存到光照纹理中。

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减少计算复杂度

Shader的LOD技术

在SubShader中使用LOD，小于LOD值的Shader才会被使用：

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

Unity内置的Shader使用了不同LOD值，Diffuse为200，Bumped Specualr为400。

代码优化

• 游戏中计算数目排序：对象数 < 顶点数 < 像素数。所以计算尽量在对象和逐顶点上。
• 尽量使用低精度浮点值。避免不同精度转换。
  • float/highp 适用存储顶点坐标等。
  • half/mediump 适用与标量、纹理坐标等变量，计算速度是float的两倍。
  • fixed/lowp 适用大多数颜色变量和归一化后的方向矢量，计算速度是float的四倍。屏幕后处理使用低精度计算。
• 尽可能把多个特效合并到一个Shader中。
• 尽可能不要使用分支语句和循环语句。
• 尽可能避免sin、tan、pow、log等复杂数学运算。可以用查表法来代替。
• 尽可能不要使用discard操作，会影响硬件优化。

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