遊戲圖形批量渲染及優化：Unity靜態合批技術

作者：枸杞憂天
（本文首發於公眾號“偶爾學學Unity”，文章僅為作者觀點，不代表GWB立場）

最近在準備公司的技術分享，主題是入門批量渲染，想著反正也總結了，不如充幾篇部落格吧，也算顯得沒有那麼半途而廢，一舉兩得了。

所以，這次將分四篇介紹一下與批量渲染有關的知識：

第一篇的主題是靜態合批；
第二篇的主題是動態合批；
第三篇的主題是例項化渲染；
第四篇的主題是優化骨骼蒙皮動畫，以及兩種常用的批量渲染方式：烘焙頂點動畫與烘焙骨骼矩陣動畫。

那就開始吧。

1、批量渲染

批量渲染其實是個老生常談的話題，它的另一個名字叫做“合批”。在日常開發中，通常說到優化、提高幀率時，總是會提到它。

可以簡單的理解為：批量渲染是通過減少CPU向GPU傳送渲染命令（DrawCall）的次數，以及減少GPU切換渲染狀態的次數，儘量讓GPU一次多做一些事情，來提升邏輯線和渲染線的整體效率。但這是建立在GPU相對空閒，而CPU把更多的時間都耗費在渲染命令的提交上時，才有意義。

如果瓶頸在GPU，比如GPU效能偏差，或片段著色器過於複雜等，那麼沒準適當減少批處理，反而能達到優化的效果。

所以要做效能優化，還是應該先定位瓶頸到底在哪兒，然後再考慮優化方案，而不是一股腦的就啪啪啪合批。

當然，通常情況下，確實是以CPU出現瓶頸更為常見，所以適當的瞭解些批量渲染的技法，是有那麼一丟丟必要的。

2、靜態合批

靜態合批是一種聽起來很常用，但在大多數手遊專案裡又沒那麼常用的合批技術。

這裡，我簡單的將靜態合批分為預處理階段的合併，和執行階段的批處理。

合併階段

合併時，引擎將符合合批條件的渲染器身上的網格取出，對網格上的頂點進行空間變換，變換到合併根節點的座標系下後，再合併成一個新的網格；這裡需要注意的是，新網格是以若干個子網格的形式組合而成的，因為需要記錄每一個合併前網格的索引數量和起始索引（相對於合併後的新網格）。

空間變換的目的，是為了“固化”頂點緩衝區和索引緩衝區內的資料，使其頂點位置等資訊都在相同的座標系下。這樣執行時如果需要對合並後的物件進行空間變換（手動靜態合批物件的根節點可被空間變換），則無需修改緩衝區內的頂點屬性，只提供根節點的變換矩陣即可。


在Unity中，可以通過勾選靜態批處理標記，讓引擎在打包時自動合併；當然，也可以在執行時呼叫合併函式，手動合併。


打包時的自動合併會膨脹場景檔案，會在一定程度上影響場景的載入時間。


此外，不同平臺對於合併是有頂點和索引數量限制的，超過此限制則會合併成多個新網格。

批處理階段

執行時是否可以合批（Batch）成功，還取決於渲染器材質的設定。


當然，如果手動替換過場景中所有Material，也會打斷批次。



如果偷偷修改了渲染器使用的網格（不再使用合批後的大網格），也會打斷批處理。


除上述之外，還有一些不常用，且不太有用的知識點。

執行時動態載入？

動態載入並例項化一個帶靜態標記的GameObject到場景中，是不會被當做靜態合批處理的。換言之，靜態標記只被作為是打包時的考慮引數，並不會在執行時被引擎處理。如果在場景載入後，希望對手動例項化的單位進行靜態合批，可以使用手動靜態合批。

合併根節點的空間變換

自動靜態合批的根節點在場景上，因此無法對其進行空間變換；而手動靜態合批，因為根節點不是場景而是一個遊戲物件，所以可以通過修改根節點的空間屬性（位置、大小及縮放值），達到諸如移動整個合批單位的目的。

當然，即使修改了合批後物件的空間屬性，頂點和索引緩衝區裡的資料也不會被修改，引擎會在渲染前，通過ConstBuffer（UniformBuffer）傳入根節點的變換矩陣，達到了整體變換的目的。

Batch ≠ DrawCall

一次靜態合批，並不表示一定只有一次DrawCall命令的呼叫。

合併發生後，每個參與合批的網格資訊（頂點、索引等）就會被最終確定，不再被修改。當一個參與合併的單位不顯示時，如被設定為隱藏或被視椎體剔除，引擎並不會修改頂點緩衝區和索引緩衝區的內容，而會拆分若干個小的DrawCall來分次渲染。通過調整每個DrawCall的索引（起始索引、索引個數）來跳過不應該被顯示的單位。


由於，這些DrallCall之間幾乎沒有渲染狀態的切換，效率較高，所以引擎也將其統計為一次合批（儘管包含若干個DrawCall）。



靜態合批包含了多個材質時，引擎在材質分組後的處理方式也是相同的，只是不同材質在渲染時，都使用了相同的頂點、索引緩衝區。

與直接使用大網格的不同

靜態合批與直接使用大網格（是指直接製作而成，非靜態合併產生的網格）的不同，主要體現在兩方面。

其一，靜態合批可以主動隱藏部分物件。靜態合批在執行時，由於每個參與合併的物件可以通過起始索引等彼此區分，因此可以通過上述多次DrawCall的策略，實現隱藏指定的物件；而直接使用大網格，則無法做到這一點。

其二，靜態合批可以有效參與CPU的視錐剔除。當有剔除發生時，被送進渲染管線的頂點數量就會減少（通過引數控制），也就意味著被頂點著色器處理的頂點會減少，提升了GPU的效率；而使用大網格渲染時，由於整個網格都會被送進渲染管線，因此每一個頂點都需要被頂點著色器處理，如果攝像機只能照到一點點，那麼絕大多數參與計算的頂點最後都會被裁減掉，有一些浪費。


當然，這並不意味著靜態合批一定就比使用大網格要更好。如果子網格數量非常多，視錐剔除時CPU的壓力也會增加，所以具體情況具體分析吧~

3、靜態合批的利弊

靜態合批採用了以空間換時間的策略來提升渲染效率。

其優勢在於：網格通常在預處理階段（打包）時合併，執行時頂點、索引資訊也不會發生變化，所以無需CPU消耗算力維護；若採用相同的材質，則以一次渲染命令，便可以同時渲染出多個本來相對獨立的物體，減少了DrawCall的次數。

在渲染前，可以先進行視錐體剔除，減少了頂點著色器對不可見頂點的處理次數，提高了GPU的效率。

其弊端在於：合批後的網格會常駐記憶體，在有些場景下可能並不適用。比如森林中的每一棵樹的網格都相同，如果對它採用靜態合批策略，合批後的網格基本等同於：單顆樹網格 x 樹的數量，這對記憶體的消耗可能就十分巨大了。


總而言之，靜態合批在解決場景中材質基本相同、網格不同、且自始至終都保持靜止的物體上時，很適用。

不出意外的話，下次更新的內容應該是動態合批。

下回見。


來源：騰訊GWB遊戲無界
原文：https://mp.weixin.qq.com/s/OQ4E_YlI7np32CZnQnV6tg