Unity5内部渲染的优化3：移除固定功能

译自aras的博客，总共3篇文章，讲述unity5优化自己渲染器的过程
吸取大神调试与优化经验，了解unity5内部渲染器的优化方法

第一篇：Unity5内部渲染的优化1：介绍

第二篇：Unity5内部渲染的优化2：清理

上篇文章写了关于清理和优化。从那时起，我已经转变到做一些unity5.1的工作了，移除了固定功能着色器Fixed Function Shaders和一些别的事。

固定功能是什么

以前，GPU还没有“可编程着色器programmable shaders”；通过启用和禁用某些功能，配置或多或少（大多很少）变得灵活。例如，让他们去计算每个顶点的光照；或者在每个像素上把两个贴图颜色相加。
Unity在很久之前就有了，所以很自然地支持固定功能着色器。它们的语法很简单，如果只是写一些简单的着色器，运行速度要比顶点/像素着色器要快。
例如：一个shader pass设置为alpha混合，输出纹理与颜色的乘积：
ass
{
  Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
  SetTexture [_MainTex] { constantColor[_Color] combine texture * contant }
}

与顶点+像素做完全相同的事情，产生的结果也相同
Pass
{
  Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
  CGPROGRAM
  #pragma vertex vert
  #pragma fragment frag
  #include "UnityCG.cginc"
  struct v2f
  {
      float2 uv : TEXCOORD0;
      float4 pos : SV_POSITION;
  };
  float4 _MainTex_ST;
  v2f vert (float4 pos : POSITION, float2 uv : TEXCOORD0)
  {
      v2f o;
      o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, pos);
      o.uv = TRANSFORM_TEX(uv, _MainTex);
      return o;
  }
  sampler2D _MainTex;
  fixed4 _Color;
  fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
  {
      return tex2D(_MainTex, i.uv) * _Color;
  }
  ENDCG
}
现在我们已经移除了对fixed function 固定功能GPU的支持，和在unity4.3（这2013年的时候）上的一些平台（OpenGL ES 1.1 on mobile and Direct3D 7 GPUs on Windows）。现在对写固定功能着色器没有什么技术需求了、没有必要了。除非：1.在现有项目中有很多这些着色器。2.只是想少打字。
事实上，固定功能着色器也有很多缺点：
1.    他们在主机上不工作（PS4,Xbox one,vita），在这些平台上实时生成着色器是非常困难的。
2.    它们不能和MaterialPropertyBlocks一起工作，不能用在unity 的Sprite的渲染上，也不能用在动画材质上。
3.    它们只适合做非常简单的事情，你做一个简单的固定功能着色器,之后却发现需要添加更多的功能,也没办法再做更多。

固定功能着色器在unity上是如何执行的？为什么？

大多数平台我们不支持 “固定功能渲染管线” ，它们内部转化为“actual shaders”才能用于渲染。只有一处固定功能着色器可以存在的例外是legacy desktop OpenGL (GL 1.x-2.x) 和 Direct3D 9.
到更多的平台出现，在OpenGL ES 2.0上我们实现了一个和D3D9差不多的东西，替代D3D9shader的二进制连接装配为连接GLSL片段。然后又更多的平台出现(D3D11, Flash, Metal)；每个平台执行“固定功能”代码。代码不是特别复杂，问题很好理解并且我们有做足够的图形测试验证工作。
在这个过程中的每一步，没有人质疑为什么我们要继续做“为什么要实时生成？而不是离线的，在固定功能着色器导入的时候就把它转换好了呢”？（如果有人问这个问题，答案就是“这样做会很有意义，只是需要有人去做”一段时间。。。）”
在很久之前，离线转换固定功能着色器并不是很实用，因为有大量的可能的变体需要被支持。最棘手的部分是对纹理坐标的支持（发送uv到纹理阶段，可选的纹理变换矩阵，可选的纹理投影，和可选的texture coordinate generation纹理坐标生成）。但是嘿，我们在unity5移除了很多东西。它变得更简单了吗？是的。

在导入时将固定功能着色器转化为普通着色器

 
上图翻译：
在unity中的shader可以写“固定功能”形式的，例如：你可以只写“Light On“来得到逐顶点的光，在超级采样shader（键入内容少）中也很有用，及大量的shader是这样写出的。
现在（4.，5.0/5.1）这些固定功能着色器是在运行时处理的：
他们载入&解析到内部shaderlab表现。
    无论何时需要新的“固定功能状态“，产生并使用一个新的“actual shader”来计算
        完全依靠平台：D3D9，D3D11，OpenGL，Metal，GLES，PSM
        在主机/DX12不能完全执行
 在shader导入时“生成actual shader”与之相比要好很多，然后移除所有运行时代码。
    好处：移除了很多代码！
    好处：移除了在渲染循环的无用的一小部分，它只是由固定功能产生的。
    好处：可以在主机，DX12，Vulkan等上面工作了
    好处：跨平台行为更加一致（现在还是有细微的不同，如：在移动端的高光就是不同的；雾的工作也有些不同）
    缺点：从一个脚本通过“new Material(string)”产生一个固定功能shader会停止工作
        “new Material(string)”被5.1标记为过时的。
        意味着向后兼容.破坏改变。意味着5.2应该把5.0/5.1的webplayer分开为一个分离的通道。



所以我打算这样做，移除了“固定功能着色器”所有运行时的代码；替换为只在Unity editor中导入shader是把它们转化为“普通着色器”。在wiki上创建一个数据&计划工作的概述，然后开始编程。我以为最终的结果会是“我新写了1000行代码移除了4000行”但是我错了！
一次我在做导入shader方面的基础的工作（结果，大约1000行代码），我开始移除整个固定功能部分。那是快乐的一天（如下图：）
 
大约一万两千行代码，消失了，真是惊人！

我完全不记得固定功能有那么多代码，你为了一个平台写它，然后它基本上工作了；然后一些新的平台出现又要写关于它的新的代码，然后它基本上工作了。之后又出现N各平台，所有代码加在一起的量是巨大的，因为它不是一下子就那么多代码，所以没人发现这个问题。
拿走：偶尔，看看整个子系统。你也许会震惊，在多年后它扩张了那么多。也许其中的一些东西因为某些原因已经不适用了。

旁注：在一个vertex shader的逐顶点光照

如果有一件事能在固定功能管线上变得简单，那就是很容易组合很多功能。你能使用很多个光（最多8个）他们是direction light，point light 或者spot light 。只是一个flag标志控制高光开闭，fog雾也一样。
感觉像是“特征的简单构成”当我们把所有都放到shader里时，我们失去一件重要的事情。我们知道的shader（vertex/fragment/… stages）一个都不能组合！想要添加一些可选的特征->这几乎意味着“加两倍shader”，或者分支shader，或者实时生成shader，这些方法都有利弊。
例如，你怎样写一个可以接近8个光源的顶点shader？有很多种方法，我现在正在做的是：
分离顶点着色器为“有spot light？”“有 point light？”“只有directional light”这些情况。我猜spot light 很少用在逐顶点固定功能光照上；它们看起来效果特别不好。所以在很多种情况，不会有“计算spot light”的消耗。
光源的数量作为整数被传入到shader中，并且shader在它们中循环。复杂：OpenGL ES 2.0 / WebGL,循环是你只能由常数次的循环次数：实践中发现，OpenGL ES 2.0有很多次都没有这个限制，然而webGL是肯定存在这个限制的。在此时我没有好的答案。在ES2/WebGL我只是循环遍历8个可能的光源（不使用的光源设置为黑色）。一个真实的解决方法，一个常规的循环是这样的：
uniform int lightCount;
// ...
for (int i = 0; i < lightCount; ++i)
{
  // compute light #i
}
当在ES2.0/WebGL下编译时，我要这样编辑shader：（博主注：根据上文说的8个都循环一遍）
uniform int lightCount;
// ...
for (int i = 0; i < 8; ++i)
{
  if (i == lightCount)
      break;
  // compute light #i
}
很讨厌处理像这样看似任意的限制（我听说webGL2 没有这样的限制，这真是太好了）

我们现在有什么

所以现在的情况是这样的，移除了大量的代码，我得到了下面的好处：
1.    “固定功能风格”shader可以在所有平台下运行了（主机！DX12！）
2.    他们跨平台工作更加稳定（例如：之前在PC&手机上高光和衰减有着细微的区别）
3.    “固定功能风格”shader可以使用MaterialPropertyBlocks工作了，意味着它可以渲染sprite，等等。
4.    固定功能着色器在windows phone 上不会再有光栅中怪异的半像素偏移了
5.    固定功能shader转换到actual shader变得更加简单；我在 shader inspector中加了一个按钮，可以显示所有生成的代码；你可以复制走并扩展它。
6.    代码变少了，转换成的可执行文件大小也变小了。例如：Windows 64 bit小了 300 kilobytes.
7.    渲染稍微变得快了些（即使没有使用固定功能着色器）

最后的一点并不是主要目的，但是是个不错的福利。没有特别大的影响，但是相当多的分支和数据从平台图形抽象中移除（只有在支持运行时固定功能的地方）。我根据项目试过了，在渲染线程中节省了5%的时间（如：10.2ms->9.6ms），效果非常好。

有什么缺点吗？是的，有几个：
1.    你不能再在运行时创建固定功能着色器了。之前你可以这样做var mat = new Material("<fixed function shader string>")除了在主机上都可以运行。由于这个原因，我做了Material(string)在unity5.1会标记为过时，而且发出警告，但是实际上它会停止工作。
2.    对web player的向后兼容产生破坏性的变化，如果代码在unity 5.2开发了，这意味着不能再在unity5.0/5.1上运行
3.    在几种特殊情况下可能不工作，例如：固定功能着色器使用一个全局设置纹理而不是一个2D纹理。在shader资源本身，任何关于那个纹理都不会被指定；所以在我在固定功能shader导入时生成actual shader，我不知道它是一个2D还是Cubemap 纹理。所以对于全局纹理，我只是假设他们都是2D纹理。
4.    大概就是这样！
移除实时固定功能的支持还有很多潜在的好处。在内部对于所有纹理的改变我们通过像“纹理类型（2D,cubemap等）”这样的东西-但是貌似只有固定功能管线会用到它。同样的，对于每个draw call我们通过一个vertex-declaration-like结构；但是现在我认为再也不需要它们了。


三篇结束。。。

             ------译自： wolf96 http://blog.csdn.net/wolf96