Unity Shader着色器优化

Posted 2020-11-19 nafio

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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]。

 

 

 

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。

 

 

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。

 

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