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[技术] Unity Shader着色器优化

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发表于 2018-6-19 01:47:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
对游戏开发者而言,着色器长久以来就是游戏开发中的重要部分,在Unity中编写并实现着色器的过程直观且高效,优秀的着色器还可以创造非常精美的游戏画面,同时保证极高的性能。今天将由Unity的技术工程师张陈渊来分享如何对Unity Shader着色器进行优化。

我们在Unity中创建Shader着色器的时候,会有四个选项:
  • Unlit Shader(无光照着色器):它是最基本的Vertex Shader(顶点着色器)和Fragment Shader(片段着色器)。
  • Image Effect Shader(图像特效着色器):适用于屏幕效果的Vertex Shader(顶点着色器)和Fragment Shader(片段着色器)。
  • Surface Shader(表面着色器):它更抽象一些,隐藏了Vertex和Fragment函数,暴露Surface函数作为替代,内部实现了一完整的光照模型。
  • Computer Shader(计算着色器):利用GPU的并行特性,为我们提供单纯的数据计算,可以与渲染管线无关。


除了Computer Shader外,另外三种并没有本质的区别。而在书写Unity Shader时,有一些写法会影响到执行效率。

[Gamma]与[Linear]指定,当颜色空间配制为Gamma时,对属性变量指定为[Gamma]和[Linear]都是无效的,只有当颜色空间配制为Linear时,指定才有效。所以当我们我们需要将一个Vector做为颜色使用,在Linear颜色空间下,指定其为[Linear]是比[Gamma]要高效的,因为如果指定为[Gamma],Unity会在CPU端做一次转换计算。

[NoScaleOffset]可以为我们省掉一个变量的分配,如果不需要用到纹理Tiling和Offset,请使用[NoScaleOffset]。
image001.png


属性里面还有一个PerRenderData,如果有一个物体,我们进行渲染一百次,是同一个材质,但是我们有时候又需要这一百个物体显示为不同的颜色,那么怎么做?一种方法是顶点色这样做,但是这种方法不是特别好,我们还有一种方法可能是直接在材质属性里面加一个颜色,然后每个材质设不同的颜色。

如果要为每个材质设不同的颜色,Unity会帮助你创建一百个这样的材质,相当于你渲染一百个物体,每个物体颜色不一样,所以直接设置的时候,会帮助你创建一百个材质,这对于GPU来讲会影响,但是更重要是内存方面,会有一百个材质的内存开销,这是一个最大的瓶颈。所以我们引入了PerRenderData的这么一个属性的控制,它可以帮你把这个数据。例如:Color颜色,我们不需要将其画到材质里面,而是通过Render可以设置。

现在介绍一下Tags,Tags指定渲染顺序,告诉引擎如何以及何时将其渲染。Unity提供给我们一些默认的渲染队列,每一个对应一个唯一的值,来指导Unity绘制对象到屏幕上。这些内置的渲染队列被称为Background, Geometry, AlphaTest,这些队列不是随便创建的,它们是为了让我们更容易地编写Shader并处理实时渲染的。

下面是队列的描述:
  • Background:队列通常被最先渲染。
  • Geometry:默认的渲染队列。它被用于绝大多数对象。不透明几何体使用该队列。
  • AlphaTest:通道检查的几何体使用该队列。它和Geometry队列不同,对于在所有立体物体绘制后渲染的通道检查的对象,它更有效。
        

我们优化的时候对于不透明的物体不需要从后往前画,例如:很远的山或者背景,作为Background,前面作为Geometry,其实前景应该先画,然后再画后景。

有时候Unity处理的比较粗糙,更多时候需要大家自己进行控制。半透明必须从后往前画,这里没有太多办法进行优化。DisableBatching建议大家不要开启,默认的情况是不开启的。

ForceNoShadowCasting,例如:当我们画不透明的物体,需要替换半透明的物体,但是半透明的物体没有阴影,你可以更改Shader代码让它不投射阴影,直接加上ForceNoShadowCasting就可以了。

GrabPass,我们需要抓缓冲图有二种方式,如下图所示。
image003.png


这二种方式的区别是很明显的,第一种方式是比较低效的,因为GrabPass调用的时候必定会进行抓取的操作,所以没次都是不同的。但是下面比较高效,一帧里面最多只执行一次,就是第一次使用会执行,后面不会执行。这个根据大家的实际的应用进行选择。

Render State,以前直接写图形程序的时候可能会比较关注怎么设置渲染状态,当它有变化的时候我们需要设置,没有变化时候该怎么处理?

Unity引擎是这样处理的,它把渲染状态缓存,缓存的作用就是为了不要频繁的切换,因为会判断当前这个状态和上一次的状态是不是相同?如果是相同,不需要调用图形API的接口,因为接口调用也有一定的消耗。那么这里可以引出一个优化点,如果渲染状态频繁的切换,那么起不到优化的作用。

所以我们写Shader的时候,尽量不要让这些连续的,不要有太多的渲染状态,尽量保证是少的,这样优化作用是大的。例如:AAA连续和BBB连续画,这样的效率高于AB间插的渲染。

Alpha Testing,大家知道在移动端,这是限于硬件的机能限制,尽量不要开启,在移动端开启,它的性能会比较低。

Color Mask,我们在移动端也尽量不要开启,这是固定的,大家一定要记住,因现在受于移动端的限制,PC端没有这个限制。

Surface Shader优化是比较难的,这里统计了一下我们能够做什么?我们基本可以做这些事情。默认情况下Surface Shader其实是开启了所有的计算,我们需要关闭或者模拟一些计算来达到一个优化的目的。
  • 首先是Approxview,它从View Direction Normalized移到Vertex Shader进行计算。
  • 其次是Halfasview,是使用光照方向和视角方向的中间向量替代一个视角方向,如果大家对比效果,觉得二种比较下来差不多,就可以选择优化过的效果。
  • Noforwarddadd,如果只有一盏像素光,你可以开启这个选项。
  • 最后是环境光,我们可以关掉一个环境光,因为关了之后有一些优化的计算,这里优化强度比较大,但是光照损失也是比较大,如果觉得效果可以接受,就可以关掉它。


变体优化是一个比较重要的点,因为很多人觉得Shader很占内存, 上百兆占用都有可能。小的话20多兆,达到上百兆肯定是不行的,那么我们需要查原因,到底什么东西导致我们的Shader变得这么大。

Unity提供另外一个关键字Shader Feature,它只会把使用的编译到包里面,而不会把没有用的编译里面。Multi_compile则会产生所有的变体。收集变体时需要注意,使用Shader Feature的方式,我们需要创建材质去进行变体的收集,材质需要序列化到场景中。

最后讲讲Shader的代码优化,我个人觉得它可优化的空间不大,空间大的地方在哪儿?我们思考优化这些最后的效果,思考这些数据是不是真的应该去进入了渲染管线?这是重点。进入渲染管线的数据优化之后,我们再做Shader优化就是锦上添花的事情。

首先我们CPU的软件裁减是不是高效且正确?当然我们会使用Unity的裁减功能,或者可以自己写。当有Over Draw时,渲染顺序是不是可以再优化 。例如:远处的阴影是不是真的需要开启?分辨率可以再小一点吗,最后一个全屏特效做的次数,大家讲的Bloom次数非常多,可不可以减少一些?或者其它的全屏特效可不可以集中一次把它做完。这些事情我们思考之后已经优化了很多效率。

最后我们可能需要针对代码去进行优化。那么代码优化我们需要利用一些工具做,英伟达的工具,iOS我们会使用Xcode,安卓有很多或者高通提供的工具我们都可以使用。

我们在代码优化的几个重点:
  • 我们要保证效果的前提下,尽量把计算放在Vertex Shader 。
  • 我们尽量不要写多pass SubShader。
  • 我们善用LOD,我们Mesh有LOD,纹理有Mipmap,Shader也有LOD。GPU执行二个Float的乘法和执行二个Vector4的乘法效率是一样的。
  • 少用分支, 还有一些内置函数,不建议自定义实现,我们可以使用提供的函数,那些是经过优化的。
  • 最后是精度问题,Fixed,Half、Float,不同的设备上它的性能不一样,我们尽量移动端使用一些低精度的数据。PC端这三种是没有什么区别的。


Unity Shader着色器优化需要注意的重点内容就为大家介绍到这里,希望每个开发者都能创建出高效果的Shader。更多Unity着色器相关内容尽在Unity官方中文论坛(UnityChina.cn)!
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