由浅到浅入门批量渲染(一)

发表于2020-11-02
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好久不见。

 

这是第32篇与游戏开发有关的文章。

 

| 写在最前

嘿嘿, 确实是好久没有更新了...

 

最近在准备公司的技术分享,主题是入门批量渲染,想着反正也总结了,不如充几篇博客吧,也算显得没有那么半途而废,一举两得了。

 

所以,这次将分四篇介绍一下与批量渲染有关的知识:

 

第一篇的主题是静态合批

 

第二篇的主题是动态合批

 

第三篇的主题是实例化渲染

 

第四篇的主题是优化骨骼蒙皮动画,以及两种常用的批量渲染方式:烘焙顶点动画烘焙骨骼矩阵动画

 

由于这回更新的内容还是非常基础的,所以系列也称为“由浅到浅”,如果你刚接触Unity引擎不久,或者面试时不知道怎么忽悠面试官,相信读完以后,恐怕也不会有什么大的收获。

 

另外,其实很久之前写过一篇关于实例化角色动画的文章,现在看来里面存在很多的不足以及表述错误,希望趁着这次机会能纠正过来,顺便再写一些新的不足和错误。

 

那就开始吧。

 

 

| 批量渲染

批量渲染其实是个老生常谈的话题,它的另一个名字叫做“合批”。在日常开发中,通常说到优化、提高帧率时,总是会提到它。

 

可以简单的理解为:批量渲染是通过减少CPU向GPU发送渲染命令(DrawCall)的次数,以及减少GPU切换渲染状态的次数,尽量让GPU一次多做一些事情,来提升逻辑线和渲染线的整体效率。但这是建立在GPU相对空闲,而CPU把更多的时间都耗费在渲染命令的提交上时,才有意义。

 

如果瓶颈在GPU,比如GPU性能偏差,或片段着色器过于复杂等,那么没准适当减少批处理,反而能达到优化的效果。

 

所以要做性能优化,还是应该先定位瓶颈到底在哪儿,然后再考虑优化方案,而不是一股脑的就啪啪啪合批。

 

当然,通常情况下,确实是以CPU出现瓶颈更为常见,所以适当的了解些批量渲染的技法,是有那么一丢丢必要的。

 

 

| 静态合批

静态合批是一种听起来很常用,但在大多数手游项目里又没那么常用的合批技术。

 

这里,我简单的将静态合批分为预处理阶段的合并,和运行阶段的批处理

 

  • 合并阶段

合并时,引擎将符合合批条件的渲染器身上的网格取出,对网格上的顶点进行空间变换,变换到合并根节点的坐标系下后,再合并成一个新的网格;这里需要注意的是,新网格是以若干个子网格的形式组合而成的,因为需要记录每一个合并前网格的索引数量起始索引(相对于合并后的新网格)。

 

空间变换的目的,是为了“固化顶点缓冲区索引缓冲区内的数据,使其顶点位置等信息都在相同的坐标系下。这样运行时如果需要对合并后的对象进行空间变换(手动静态合批对象的根节点可被空间变换),则无需修改缓冲区内的顶点属性,只提供根节点的变换矩阵即可。

 

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尽管网格不同、材质不同,Unity也会将它们的网格进行合并
 

在Unity中,可以通过勾选静态批处理标记,让引擎在打包时自动合并;当然,也可以在运行时调用合并函数,手动合并。

 

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通过勾选开关标记单位参与静态合批

 

打包时的自动合并会膨胀场景文件,会在一定程度上影响场景的加载时间。

 

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包含静态合批的场景体积大了一丢丢

 

此外,不同平台对于合并是有顶点和索引数量限制的,超过此限制则会合并成多个新网格。

 

  • 批处理阶段

运行时是否可以合批(Batch)成功,还取决于渲染器材质的设置。

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使用不同的材质,会分为不同的批次

 

当然,如果手动替换过场景中所有Material,也会打断批次。

 

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运行时手动替换所有渲染器的材质球

 

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不再有合批发生

 

如果偷偷修改了渲染器使用的网格(不再使用合批后的大网格),也会打断批处理。

 

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替换网格后,也不会再被批处理

 

除上述之外,还有一些不常用,且不太有用的知识点。

 

  • 运行时动态加载?

动态加载并实例化一个带静态标记的GameObject到场景中,是不会被当做静态合批处理的。换言之,静态标记只被作为是打包时的考虑参数,并不会在运行时被引擎处理。如果在场景加载后,希望对手动实例化的单位进行静态合批,可以使用手动静态合批。

 

  • 合并根节点的空间变换

自动静态合批的根节点在场景上,因此无法对其进行空间变换;而手动静态合批,因为根节点不是场景而是一个游戏对象,所以可以通过修改根节点的空间属性(位置、大小及缩放值),达到诸如移动整个合批单位的目的。

 

当然,即使修改了合批后对象的空间属性,顶点和索引缓冲区里的数据也不会被修改,引擎会在渲染前,通过ConstBuffer(UniformBuffer)传入根节点的变换矩阵,达到了整体变换的目的。

 

  • Batch ≠ DrawCall

一次静态合批,并不表示一定只有一次DrawCall命令的调用。

 

合并发生后,每个参与合批的网格信息(顶点、索引等)就会被最终确定,不再被修改。当一个参与合并的单位不显示时,如被设置为隐藏或被视椎体剔除,引擎并不会修改顶点缓冲区和索引缓冲区的内容,而会拆分若干个小的DrawCall分次渲染。通过调整每个DrawCall的索引(起始索引、索引个数)来跳过不应该被显示的单位。

 

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通过两次DrawCall来跳过隐藏的三角形

 

由于,这些DrallCall之间几乎没有渲染状态的切换,效率较高,所以引擎也将其统计为一次合批(尽管包含若干个DrawCall)。

 

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隐藏掉部分立方体后,形成了两次DrawCall

 

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引擎的Statistics窗口、FrameDebugger和Profiler(Renderer)会体现出这种差异

 

静态合批包含了多个材质时,引擎在材质分组后的处理方式也是相同的,只是不同材质在渲染时,都使用了相同的顶点、索引缓冲区。

 

  • 与直接使用大网格的不同

静态合批与直接使用大网格(是指直接制作而成,非静态合并产生的网格)的不同,主要体现在两方面。

 

其一,静态合批可以主动隐藏部分对象。静态合批在运行时,由于每个参与合并的对象可以通过起始索引等彼此区分,因此可以通过上述多次DrawCall的策略,实现隐藏指定的对象;而直接使用大网格,则无法做到这一点。

 

其二,静态合批可以有效参与CPU的视锥剔除。当有剔除发生时,被送进渲染管线的顶点数量就会减少(通过参数控制),也就意味着被顶点着色器处理的顶点会减少,提升了GPU的效率;而使用大网格渲染时,由于整个网格都会被送进渲染管线,因此每一个顶点都需要被顶点着色器处理,如果摄像机只能照到一点点,那么绝大多数参与计算的顶点最后都会被裁减掉,有一些浪费。

 

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大网格不会被视锥体剔除,全部顶点都会被送进渲染管线

 

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静态合批会被视锥体剔除,只有部分顶点被送进渲染管线

 

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静态合批下合并后的网格

 

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静态合批下,顶点着色器只处理了部分顶点

 

 

当然,这并不意味着静态合批一定就比使用大网格要更好。如果子网格数量非常多,视锥剔除时CPU的压力也会增加,所以具体情况具体分析吧~

 

  • 静态合批的利弊

静态合批采用了以空间换时间的策略来提升渲染效率。

 

优势在于:网格通常在预处理阶段(打包)时合并,运行时顶点、索引信息也不会发生变化,所以无需CPU消耗算力维护;若采用相同的材质,则以一次渲染命令,便可以同时渲染出多个本来相对独立的物体,减少了DrawCall的次数。

 

在渲染前,可以先进行视锥体剔除,减少了顶点着色器对不可见顶点的处理次数,提高了GPU的效率。

 

弊端在于:合批后的网格会常驻内存,在有些场景下可能并不适用。比如森林中的每一棵树的网格都相同,如果对它采用静态合批策略,合批后的网格基本等同于:单颗树网格 x 树的数量,这对内存的消耗可能就十分巨大了。

 

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极端情况下可能导致内存占用过高

 

总而言之,静态合批在解决场景中材质基本相同、网格不同、且自始至终都保持静止的物体上时,很适用。

 

 

| 写在最后

不出意外的话,下次更新的内容应该是动态合批

 

下回见。

 

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