《Unity Shader入门精要》笔记（三十二）

JoshWindsor · 发表于 2022-11-24 14:12

本文为《Unity Shader入门精要》第十六章《Unity中的渲染优化技术》的上半部分内容《Unity中的渲染分析工具》。

本文相关代码，详见：

原书代码，详见原作者github：
<hr/>建立认知：
游戏优化不仅是程序员的工作，更需要美工人员在美术上进行一定的权衡。

举例：

URP渲染管线，让美术使用SimpleLit，而不是Lit；
用图片+Animation代替粒子系统；
降低模型中不必要的网格数；
减少透明混合造成overdraw等。

1. 移动平台的特点

相比PC平台，移动平台的特点：资源有限、带宽更小。

一些基于GPU架构的优化：

为移除一些隐藏的表面，减少overdraw（同一像素绘制多次），PowerVR芯片（用于iOS设备和一些Android设备）使用基于瓦片的延迟渲染（Tiled-based Deferred Rendering, TBDR）架构，把所有渲染图像装入一个个瓦片中，由硬件找到可见的片元，并只对它们执行片元着色器；
另一些基于瓦片的GPU架构，如：Adreno（高通的芯片）和Mali（ARM的芯片），使用Early-Z或相似的技术进行低精度的深度检测，剔除不需要渲染的片元。

Android平台：
差异比较明显，不同设备使用不同的硬件，如：图形芯片、屏幕分辨率等，这对图形优化剔除更高的挑战。
iOS平台：
硬件条件相对统一。

2. 影响性能的因素

造成游戏性能瓶颈的主要原因：

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
- 片元处理
  - 过多的片元（可能是分辨率高造成的，也可能是overdraw造成的）；
  - 过多的逐片元计算
带宽
- 使用了尺寸很大且未压缩的纹理
- 分辨率过高的帧缓存

2.1 CPU层面

限制性能的主要因素是Draw Call的数目。

Draw Call在CPU层面都做了什么：

CPU每次通知GPU渲染前需要提前准备好顶点数据（如：位置、法线、颜色、纹理坐标等）；
调用一系列API把顶点数据放到GPU可访问的指定位置；
调用一次绘制命令（产生一次Draw Call）；

每次调用Draw Call，CPU往往需要改变很多渲染状态的设置，这些操作非常耗时。过多的Draw Call会导致CPU把大部分时间花费在提交Draw Call的准备工作上，导致性能下降。
其他可能造成CPU瓶颈的原因：物理、布料模拟、蒙皮、粒子模拟等。

2.2 GPU层面

GPU负责整个渲染流水线。它从处理CPU传递过来的模型数据开始，进行顶点着色器、片元着色器等一系列工作，最后输出屏幕上的每个像素。因此性能瓶颈与需要处理的顶点数目、屏幕分辨率、显存等因素有关。
相关优化策略可以从减少处理的规模（顶点数目、片元数目）、减少匀速复杂度等方面入手。

后续涉及的优化技术：

CPU优化
- 使用批处理技术减少Draw Call数目；
GPU优化
- 减少需要处理的顶点数目
  - 优化几何体
  - 使用模型的LOD技术
  - 使用遮挡剔除技术
- 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技术
  - 代码方面的优化
节省内存带宽
- 减少纹理大小
- 利用分辨率缩放

3. Unity中渲染分析工具

Unity中有3个工具可以帮我们分析游戏性能：

渲染统计窗口（Render Statistics WIndow）
性能分析器（Profiler）
帧调试器（Frame Debugger）

3.1 渲染统计窗口

在Unity Game窗口工具栏的Stats按钮点开后会弹出数据统计窗口，里面的Graphics区域（图中黄框选中区域）是我们需要关注的渲染统计窗口，里面显示了很多渲染相关的数据。

FPS（每帧耗时）

FPS（Frame per Second），每秒的帧数，后面的括号中显示的是当前帧的耗时。

CPU：main / render thread

main后面跟的是主线程的耗时，render thread跟的是渲染线程的耗时。

Batches

当前帧需要进行的批处理数目。

Saved by batching

合并的批处理数目，这个数字表明了批处理为我们节省了多少Draw Call。

Tris / Vertes

当前帧绘制的三角面片和顶点的数目。

Scene

屏幕的大小，及它占用的内存大小。

SetPass calls

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。数目越大，越容易产生CPU的性能瓶颈。

Shadow caster

在有光照的前提下，在相机的视椎体范围内，有多少物体具备投射阴影的能力。

Visible skinned meshes

渲染的蒙皮网格数目。

Animations

播放的动画数目。

Batches和Saved by batching更容易让开发者理解批处理的优化结果。渲染统计面板仅提供粗略的数据，更详细的数据需要在性能分析器中查看。
3.2 性能分析器的渲染区域

在Unity的菜单栏，依次点击Window-Analysis-Profiler可打开性能分析器面板，或者直接按快捷键Ctrl + 7直接打开：

上图选中的是渲染（Rendering）相关的统计信息，统计信息分上下两部分，上半部分显示的是实时渲染信息，例如：绿线显示了批处理的数目、蓝线显示了Pass数目等，而下半部分显示的是选中的某一帧中更详细的信息，例如：Draw Call数目、动态批处理/静态批处理的数目、渲染纹理的数目和内存占用等。

需要注意的是：
Unity Engine中运行的游戏，因为引擎编辑器自身运行需要一定的开销，使用性能分析器分析得到的数据往往不具有参考意义。所以我们一般会在真实运行设备（例如：Android手机等）上去分析游戏的性能，这时的性能分析器展示的数据才是真实准确的。且设备上的游戏包体需要在打包时勾选Development Build：

移动端真机链接性能分析器的方法有2种，分别是：局域网、USB数据线连接。

局域网

保证运行设备和PC在相同的网络环境下（比如：连相同的wifi），打开性能分析面板，点击Play Mode下拉框，此时下拉框中就会显示当前网络环境下正在运行当前游戏的设备，选中自己的设备即可进行联机调试。

USB数据连接

开启设备上的开发者模式，并启用USB调试，将设备通过USB数据线连接PC，选择文件传输模式。然后打开性能分析面板，点击Play Mode下拉框，选择<Enter IP>，输入手机在当前网络环境下的IP，Unity Engine会自动遍历设备上运行的所有服务端口，找到正在运行的要调试的游戏，然后性能分析面板上就会实时出现游戏的性能数据。

3.3 帧调试器

在Unity的菜单栏，依次点击Window-Analysis-Frame Debugger可打开帧调试器面板，在面板中点击Enable按钮，即可得到运行的游戏在当前帧的渲染情况。

从上图左侧的列表中，从上往下框住的黄色区域分别为：绘制深度纹理、阴影投射与接收、渲染场景中的模型网格、雾效的屏幕后处理。选中左侧对应列表项，右侧区域会展示选中的绘制事件的详细信息，包括：使用的Shader、对应的Pass、关键词、使用到的纹理、向量等。
更详细的帧调试器的使用，感兴趣的小伙伴可以在网上自行查阅。

基于上面3种Unity自带的调试工具，我们可以解决绝大部分的性能瓶颈。当然为了更精确更细致的获取游戏的性能数据，有时我们也需要其他性能分析工具的介入。

3.4 其他性能分析工具

Android平台
- 高通的Adreno分析工具：对不同的测试机进行详细的性能分析。
- 英伟达的NVPerfHUD工具：帮助我们得到几乎所有需要的性能分析数据，如：每个Draw Call的GPU时间、每个Shader花费的cycle数目等。
iOS平台
- PowerVRAM的PVRUniSCo Shader分析器：给出大致的性能评估。
- XCode的OpenGL ES Driver Instruments：给出一些宏观上的性能信息，如：设备利用率、渲染器利用率等。

相比Android，对iOS的性能分析更加困难（工具较少）。且PowerVR芯片采用了基于瓦片的延迟渲染器，想得到每个Draw Call花费的GPU时间几乎不可能，所以一些宏观上的统计数据更有参考价值。

以上是本次笔记的所有内容，下一篇笔记我们将继续学习渲染优化，了解性能优化方法的相关知识。

<hr/>
写在最后

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