游戏开发49课 性能优化7

汉武弟

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4. 渲染优化


渲染优化的目的是减少Draw Calls，减少渲染状态切换开销，降低显存占用，降低带宽和GPU负担。在讲解渲染优化之前，先了解渲染性能消耗点。

• Draw Call数量
  

Draw Call有些引擎也称为SetPass Call。一个Draw Call就是游戏调用OpenGL/D3D等图形渲染的绘制API一次（如OpenGL的glDrawArray和glDrawElements）。一次Draw Call完整地跑完了整个渲染管线（下图），期间要涉及的数据/状态/计算很多，绘制前会先创建各种GPU数据，还可能每帧更新这些数据，数据更新又涉及到带宽。


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所以，每帧Draw Call数量是衡量渲染性能的关键指标。

• 渲染状态切换
  

每次Draw Call前会对图形渲染层设置一系列的渲染状态，如是否开启深度测试/是否开启Alpha Test/是否开启Alpha Blend等等。这些状态通过图形渲染的驱动层最终应用到GPU中（下图）。


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从上图可以看到，应用程序（游戏）发送的渲染指令，会经过OpenGL/DirectX等图形层和显卡驱动层，最终才能应用到GPU硬件。由于当代显卡驱动做了很多工作：状态管理/容错处理/逻辑计算/显存管理等等，属于重度封装，会消耗较多性能。所以，尽可能减少状态切换，是优化渲染性能的重要措施。

• 带宽负载
  

此处的带宽是指CPU经过主板总线传输数据到GPU的能力，单位通常是GB/s。当然GPU也可通过总线传输数据到CPU，但传输能力远远低于CPU到GPU。

广义的带宽还包括GPU和显存之间，GPU各部件之间的数据传输。

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上图所示，CPU和GPU通过PCI-e总线相连，它们之间的传输能力是有上限的，这个上限就是带宽。如果绘制需要传输的数据大于带宽（即带宽负载过高），就会出现画面卡顿/跳帧/撕裂/延迟/黑屏等等各种异常。

• 显存占用
  

显存即显卡的内存，是集成在GPU内部的专用内存。通常用于存储顶点/索引/纹理/各种Buffer等数据。如果游戏显存占用过高，便会出现显存分配失败，导致画面异常甚至程序崩溃。

• GPU计算量
  

现代显卡基本都支持可编程渲染管线，涉及Vertex Shader/Geometry Shader/Fragment Shader（下图），还涉及光栅化/片元操作。所以，如果Shader过于复杂或者片元过多，会极大提高GPU计算量，降低渲染性能。


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了解渲染具体开销后，就可以用下面的方法着手优化。
4.1 合批（Batch）

合批（Batch）是将若干个模型合成一个模型，从而可以只调用一次Draw Call的优化手段。合批解决的是Draw Call数量问题。合批的条件是所有被合的所有模型都引用同一个材质，否正无法正常合批。
4.1.1 离线合批（Offline Batch）

离线合批就是在游戏运行前，先用工具把相关资源做合批处理，以减轻引擎实时合批的负担。适合离线合批的是静态模型和场景物件。如场景地表装饰面：石头/砖块等等。离线合批方式有：

• 美术利用专业建模工具合批。如3D Max/Maya等。
  
• 利用引擎插件或工具。如Unity的插件MeshBaker和DrawCallMinimizer，可以将静态物体进行合批。
  
• 自制离线合批工具。如果第三方插件无法满足项目需求，就要程序专门实现离线合批工具。
  

4.1.2 实时合批（Runtime Batch）

不同于离线合批，实时合批是游戏引擎在游戏运行期完成的。Unity引擎分为静态合批和动态合批。

• 静态合批（Static Batch）
  符合静态合批的条件有两个：一是模型有Static标记（即物体是静态的，不能有移动/动画/物理等），二是引用同一个材质实例。为了提高静态合批的概率，尽可能将场景物件设为静态，并且类似的物件引用相同的材质。
  
• 动态合批（Dynamic Batch）
  动态合批是针对可以运动的模型，但有更苛刻的要求，例如Unity要求：
  
  
  
  • 模型少于300个顶点，少于900个顶点属性。
    
  • 不能有镜像Transform。
    
  • 使用同一材质实例（注意：是实例，相同的材质不同的实例，也是不行的）。
    
  • 使用相同的光照图（Lightmaps）。
    
  • 不能用多Pass Shader。
    
  
  

4.1.3 合批副作用

合批优化虽能降低Draw Calls，但也有副作用：

• 增加CPU消耗。需要消耗CPU计算将多个模型合成一个，还涉及材质排序和搜集等操作。
  
• 增加内存。需要额外开辟内存存储合成的模型。
  
• 合成的模型顶点数有限制。移动游戏通常用16位索引，若合成的模型超出16位无符号整数的范围，渲染会出现异常。
  

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