Shader学习（3）性能优化的概念

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学习笔记之三：性能优化

一些名词的概念介绍

1. OpenGL和DirectX

OpenGL和DirectX是图像编程接口，用于渲染二维或者三维图像，架起上层应用程序和底层GPU的沟通桥梁。

我们的应用程序运行在CPU上，应用程序调用图形接口将渲染数据储存在显存中，然后图形接口发出渲染命令，这些命令传递给显卡驱动，被显卡驱动翻译成GPU可以理解的机器语言，进行图形绘制。

2. 着色语言HLSL、GLSL、Cg

着色语言专门用来编写着色器，常见类型有DirectX的HLSL（UE4使用的就是HLSL，而Unity使用的也是HLSL的一个变种。）、OpenGL的GLSL以及NVIDIA的Cg（HLSL语言和Cg的语法几乎一模一样，所以选择Cg基本上等于选择HLSL）。

3. Draw Call

（1）Draw Call就是CPU调用图形绘制API，以命令GPU进行渲染的操作，每调用一次为一次draw call。

（2）图形绘制API的调用需要很多准备工作：检查渲染状态、提交渲染数据、提交渲染状态，相对比较耗时。DrawCall是在CPU上运行的，当DrawCall过多时，就会出现CPU过载但GPU闲置的状态。

Unity界面中可以查看当前的DrawCall

4. 固定渲染管线

（1）固定函数的流水线（Fixed-Function Pipeline），通常指古董级的GPU上实现的渲染流水线。开发者对它只能进行一些配置操作，而并不能对其进行更多编程操作。就像是只留下了几个开关的电路板。

（2）基本已经没什么设备会用，知道就好了。

5.帧率（FPS）：表示一秒钟内渲染的图片（帧）数量，是反应游戏渲染速度最为直观的数据。主要受到CPU和GPU的耗时影响。

6.面数（Triangle Count），在游戏中需要渲染的模型面数，一般来说考虑的只是同屏面数，面数越多，渲染速度越慢。

7.贴图，是指在三维模型上面映射的纹理，一般保存为各种格式的正方形图片。

二、对渲染进行性能优化

1. 内存和帧率

由于硬件的影响，应用程序不可能无限开辟内存，所以内存是应用程序效率的主要数据之一。内存太高可能导致应用程序崩溃，会导致内存碎片化，影响下一次使用内存的寻址时间，还会导致垃圾清理消耗太多时间。

帧率和内存是游戏性能分别在时间和空间上的两个数据表现。而这两个数据表现是由一系列其他因素导致的。

为了知道哪些因素导致了性能的消耗，可以使用性能优化工具来查看。比如RenderDoc，IntelGPA，Unity Proflie等。

2. 优化顶点数据

(1) 不对不需要的数据进行导出，比如没有用到2UV就不输入2UV，没有用到法线就去掉法线，没有顶点色信息就去掉顶点色等等。

(2) 顶点数据压缩，可以提高数据从CPU传入GPU的速度。

(3) 坐标数据，使用更节省的数据类型，减少每个顶点数据占用的字节数。

3. 优化Draw Call

(1) 减少渲染的物体。有些在远处，被遮挡，看不清的位置的物体，可以通过逻辑去除该物体的渲染。

(2) 合批Draw Call。引擎一般都提供了合并Draw Call的功能，如动态合批，静态合批，代码合批。这些合批的基本条件是使用相同的材质。

① 如何尽可能使用相同的材质。场景中的相似物体可以使用同样的参数，同一个shader，对于使用不同贴图的模型，在必要时可以修改UV，并且对贴图进行合并。

② 动态合批：引擎会在应用阶段收集满足合批的模型，将这些模型收集在一个大mesh，通过这个大mesh进行一次API提交，从而减少大量零散小物体的绘制。

③ 静态合批：动态合批是在运行时进行的，而静态合批是读取在运行前已经合批好的数据。

④ 代码合批：有些引擎会提供一些接口，用逻辑来判断在不同状态下是否对模型进行合批。

4. 优化面数

(1) 一般在项目中会确定模型制作时的面数要求，在前期就规定好同屏面数的限制，而一些没有经验的项目往往就要花费数倍的时间和金钱去进行返工。

(2) 面数LOD：现在引擎一般都会提供LOD功能，根据摄像机距离的不同来使用不同的LOD Level 的模型。

5. 优化Shader

(1) Shader复杂度：一般来说，Shader的指令个数可以粗略表示Shader的复杂度。要降低复杂度，要少用复杂计算的函数，反三角函数以及循环指令的消耗都特别大，要尽量少用。、

(2) Shader组合：Shader组合时指Shader为了满足多种功能或者表现，在Shader中通过添加宏代码块来开关对应的功能和效果表现。一般引擎会通过组合的方式来生成不同的Shader版本。这样Shader就会比较灵活，在一个Shader上包含了多种效果，管理方便。但是要控制Shader生成的内存大小。

(3) Shader LOD：给不同性能的设备提供高中低配置的Shader版本。

(4) 在CPU性能不错的情况下，能在CPU计算的就不在顶点着色器计算，能在顶点着色器计算的就不在片元着色器计算。

(5) 使用适合的数据精度。

(6) 曲面细分shader，曲面细分对性能的消耗巨大。当需要用到这些Shader时，要尽可能减少曲面细分的范围，因为这种功能一般都会比普通Shader更加消耗GPU性能。

(7) 几何Shader：利用几何Shader生成大量物体来渲染比起在应用层提交大量DrawCall会更加节省性能，在一些情况下，如渲染草丛、碎石时会很有用。

6. 优化贴图

(1) 格式：压缩格式并不是指外部的图片格式，而是引擎内部的压缩方法

图片引用自https://www.cnblogs.com/zsb517/p/6297739.html

在移动端，ASTC是首选的纹理压缩格式。

（3）尺寸：很容易理解，图片越大，消耗越大。最好是根据实际的运行平台来确定适合的贴图大小。

（4）采样滤波(Filter):现在常见的滤波方式中性能消耗：Anisotropic=>Trilinear=>Bilinear=>Linear=>Point ,而更高的消耗也意味着更高的精度，更好的效果。

（5）Mipmap：当摄像机离图片距离更远时，引擎会自动采用更低精度的Mipmap，可以有效减少渲染消耗。

（6）合并多个单通道贴图，可以降低内存消耗。

7. Overdraw

(1) 使用透明渲染时会出现。为了绘制透明物体背后的物体，所以不能裁剪掉背后的物体，而多个透明物体互相叠加时，性能消耗更为恐怖。

(2) 所以要减少透明物体，限制透明物体的重叠。

8. 分辨率：分辨率越高对于GPU的性能要求越高，对于分辨率高但是GPU比较差的机型进行降低渲染分辨率可以提高帧率。

9. 剔除

(1) 主要有：视锥体剔除、遮挡剔除、背面剔除、深度剔除。

(2) 一般游戏引擎都有相应的算法来实现以上功能，可以进行配置或者自己编写算法来实现更多的功能。

10. 抗锯齿（Anti-aliasing）

抗锯齿主要有两种算法：super sampling（超级采样）和Multi Sampling（多采样），超级采样的消耗较大，而效果也更好。

以上是对性能优化的一些简单介绍，实际应用中还有很多更复杂的细节需要去解决。在了解这些知识之后可以有目标的去排查问题。

参考图书《Unity Shader入门精要》