读书笔记15《Unity Shader入门精要》 | IronName

第 16 章 Unity 中的渲染优化技术

程序优化的第一条准则：不要优化。程序优化的第二条准则（仅针对专家！）：不要优化。——Michael A.Jackson

移动平台的特点

GPU 架构不同。由于处理资源等条件的限制，带宽和功能更小
为了减少overdraw（一个像素被绘制多次），PowerVR芯片（iOS设备和某些Android）使用基于瓦片的延迟渲染（Tiled-based Deferred Rendering，TBDR）；Adreno（高通的芯片）和Mali（ARM的芯片）则会使用低精度的深度检测提前剔除片元；而Tegra（英伟达的芯片）使用传统架构，overdraw更可能造成性能的瓶颈。

影响性能的因素

（1）CPU

draw call 过多
脚本或物理模拟复杂

（2）GPU

顶点过多；逐顶点计算过多
片元过多（分辨率过高 / overdraw）；逐片元计算过多

（3）带宽

纹理尺寸很大，还不压缩
帧缓冲分辨率过高

优化技术

（1）CPU

使用批处理技术减少draw call数目

（2）GPU

减少需要处理的顶点数目
- 优化几何体（网格）
- 使用模型的 LOD（Level of Detail）技术
- 使用遮挡剔除（Occlusion Culling）技术
减少需要处理的片元数目
- 控制绘制顺序
- 警惕透明物体
- 减少实时光照
减少计算复杂度
- 使用 Shader 的 LOD（Level of Detail）技术
- 代码优化

（3）带宽

缩小纹理
利用分辨率缩放（帧缓冲吧）

Unity 中的渲染分析工具

渲染统计窗口（Rendering Statics Window）

通过 Game 视图的右上角的菜单中 Stats 打开

Batches：一帧中需要进行的批处理数目
Saved by batching：合并的批处理数目，表明了批处理为我们节省了多少 draw call
Tris 和 Verts：绘制的三角面片和顶点数目
Screen：屏幕的大小，以及它占用的内存大小
SetPass：渲染使用的 Pass 的数目，每个 Pass 都需要 Unity 的 runtime 来绑定一个新的 Shader，可能造成 CPU 的瓶颈。
Visible skinned meshes：渲染的蒙皮网格的数目
Animations：播放的动画数目

性能分析器（Profiler）的渲染区域（Rendering Area）

Window -> Analysis -> Profiler

帧调试器（Frame Debugger）

其他性能分析工具

Android 平台：高通的 Adreno 分析工具；英伟达的 NVPerfHUD
iOS 平台：Unity 内置的分析器；PowerVRAM 的 PVRUniSCo shader 分析器；Xcoed 中的 OpenGL ES Driver Instruments （工具较少；宏观上的统计数据可能更有参考价值）

减少draw call数目

批处理的思想：在每次调用 draw call 时尽可能多地处理多个物体。使用统一材质的物体可以一起处理，他们之间的不同仅仅在于顶点数据的差异。

动态批处理

Unity 自动进行。使用动态批处理的物体仍然可以移动。

条件限制：

能够进行动态批处理的网格的顶点属性规模要小于 900 。例如，如果 shader 中需要使用顶点位置、法线和纹理坐标这 3 个顶点属性，那么要想让模型能够被动态批处理，它的顶点数目不能超过 300 。需要注意的是，这个数字在未来有可能会发生变化，因此不要依赖这个数据。
使用光照纹理（Lightmap) 的物体需要小心处理。这些物体需要额外的渲染参数，例如，在光照纹理上的索引、偏移量和缩放信息等。因此，为了让这些物体可以被动态批处理，我们需要保证它们指向光照纹理中的同一个位置。
多 Pass 的 shader 会中断批处理。在前向渲染中，我们有时需要使用额外的 Pass 来为模型添加更多的光照效果，但这样一来模型就不会被动态批处理了。

静态批处理

在运行开始阶段，把需要进行静态批处理的模型合并到一个新的网格结构中。只需要进行一次合并操作，比动态批处理更加高效。

条件限制：

不可以在运行时刻被移动
需要占用更多的内存来存储合并后的几何结构
额外的 Pass 不会被批处理。（处理平行光的部 Base Pass 部分仍然会被静态批处理）

如果在静态批处理前一些物体共享了相同的网格，那么在内存中每一个物体都会对应一个该网格的复制品，即一个网格会变成多个网格再发送给 GPU 。如果这类使用同一网格的对象很多，那么这就会成为一个性能瓶颈了。例如，如果在一个使用了 1 000 个相同树模型的森林中使用静态批处理，那么，就会多使用 1 000 倍的内存，这会造成严重的内存影响。

共享材质

如果两个材质之间只有使用的纹理不同，我们可以把这些纹理合并到一张更大的纹理中，这张更大的纹理被称为是一张图集 (atlas)。一旦使用了同一张纹理，我们就可以使用同一个材质，再使用不同的采样坐标对纹理采样即可。
除了纹理不同外，不同的物体在材质上还有一些微小的参数变化，例如，颜色不同某些浮点屈性不同。一种常用的方法就是使用网格的顶点数据（最常见的就是顶点颜色数据）来存储这些参数。

建议

尽可能使用静态批处理，但小心对内存的消耗。
用动态批处理注意条件限制。
游戏中的小道具，例如可以捡的金币等，可以使用动态批处理。
包含动画的物体，其中不动的部分可以标记为“Static”（使用静态批处理）

减少需要处理的顶点数目

优化几何体

尽可能减少模型中三角面片的数目。

模型的 LOD 技术

当对象逐渐远离摄像机时，减少模型上的面片数量，从而提高性能。
要为同一个对象准备多个包含不同细节程度的模型。

遮挡剔除技术

遮挡剔除会使用一个虚拟的摄像机来遍历场景，从而构建个潜在可见的对象集合的层级结构。在运行时刻，每个摄像机将会使用这个数据来识别哪些物体是可见的，而哪些被其他物体挡住不可见。使用遮挡剔除技术，不仅可以减少处理的顶点数目，还可以减少overdraw, 提高游戏性能。
Unity 手册

减少需要处理的片元数目

减少overdraw

控制绘制顺序

尽可能让物体从前往后绘制（使用不透明物体的渲染队列）
把占据屏幕比例大的，总是在前面的物体优先绘制；天空盒最后绘制（它永远出现在所有物体后面）。

时刻警惕透明物体

几乎一定会造成 overdraw。

尽量减少半透明 GUI 所占面积。实在不行就把 GUI 绘制和三维场景的绘制交给不同的摄像机。
透明度测试的 clip/discard 会导致一些硬件的优化策略失效。

减少实时光照和阴影

使用烘焙技术，把光照提前烘焙到一张光照纹理（lightmap）中。把静态物体的阴影信息存储到光照纹理中，只对动态物体使用适当的实时阴影。
God Ray：不是真的光源，而是通过透明纹理模拟得到的。
把复杂的光照计算存储到一张查找纹理（lookup texture，LUT）中。运行时只要使用光源方向、视角方向、法线方向等参数，对LUT采样就能得到光照结果。对主要角色可以用更大分辨率的LUT，而NPC使用较小的LUT。

节省带宽

减小纹理大小

用正方形纹理；纹理的长宽值是 2 的整数幂
多级渐远纹理技术（mipmapping）
纹理压缩。不同的 GPU 架构有自己的纹理压缩格式。Unity 可以根据不同的设备选择不同的压缩格式。（但 GUI 纹理，出于对画质的要求，有时不选择压缩）

利用分辨率缩放

雨松 MOMO - Unity3D研究院之使用Android的硬件缩放技术优化执行效率

降低计算复杂度

Shader 的 LOD 技术

SubShader {
	Tags {}
	LOD 200
}

可以使用 Shader.maximumLOD 或 Shader.globalMaximumLOD 来设置最大的 LOD 值。

也就是有选择地使用 Shader。。

代码优化

对象数 < 顶点数 < 像素数

尽可能地把计算放在每个对象或逐顶点上。例如在实现高斯模糊和边缘检测时，把采样坐标的计算放在顶点着色器中，这样的做法远好于把它们放在片元着色器中。
尽可能使用低精度的浮点值进行运算。
- 最高精度的 float/highp 适用于存储顶点坐标等变量，计算速度最慢，尽量避免在片元着色器中使用这种精度；
- half/mediump 适用于一些标量、纹理坐标等变量；
- fixed/lowp 适用于绝大多数颜色变量和归一化后的方向矢量。
- 避免对这些低精度变量进行平凡的 swizzle 操作。
- 尽量避免在不同精度之间的转换。
使用尽可能少的插值变量。如果需要对两个纹理坐标插值，通常会把它们打包在同一个 float4 变量中。但是在 PowerVR 上，不应该这么做。
尽可能不使用全屏的屏幕后处理效果。尽量使用低精度运算。高精度的运算可以使用查找表（LUT），或者转移到顶点着色器中进行处理。
尽量把多个特效合并到一个 Shader 中。选择性地开启特效。
尽可能不要使用分支语句和循环语句。
尽可能避免使用类似 sin、tan、pow、log 等复杂的数学运算。用查找表替代。
尽可能不要使用 discard 操作，因为会影响硬件的某些优化。

根据硬件条件缩放

先保证游戏最基本的配置可以在所有平台上运行良好，然后再对一些具有更高表现能力的设备，开启一些更“养眼”的效果，例如更高的分辨率，屏幕后处理特效，粒子效果等。

扩展阅读

Unity 手册中的移动平台优化实践指南（自己去搜）
Unity 手册 - 优化图像性能
SIGGRAPH 2011 上，Unity 进行的一个关于移动平台上 Shader 优化的演讲
Unite 2013 会议上，Unity 名为针对移动平台优化 Unity 游戏的演讲
GDC 2014 上，Unity 展示的如何使用内置的分析器分析移动平台的游戏性能（可以去 Youtube 上找视频）
SIGGRAPH 2015 会议上，名为 Moving Mobile Graphics 的课程中，移动平台上 PBR 的优化技术。（可以去 Unity 的博客找）
成功的移动平台游戏也是很好的学习资料。如《ShadowGun》，Unite 2011 上，该游戏的开发者给出了游戏中使用的渲染和优化技术。
游戏优化实例——Unity 自带的项目《Angry Bots》。可以在 Unity 资源商店下载到完整的项目源代码。