Unity Shader着色器優化

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對游戲開發者而言，着色器長久以來就是游戲開發中的重要部分，在Unity中編寫並實現着色器的過程直觀且高效，優秀的着色器還可以創造非常精美的游戲畫面，同時保證極高的性能。今天將由Unity的技術工程師張陳淵來分享如何對Unity Shader着色器進行優化。

 

我們在Unity中創建Shader着色器的時候，會有四個選項：

• Unlit Shader（無光照着色器）：它是最基本的Vertex Shader（頂點着色器）和Fragment Shader（片段着色器）。

• Image Effect Shader（圖像特效着色器）：適用於屏幕效果的Vertex Shader（頂點着色器）和Fragment Shader（片段着色器）。

• Surface Shader（表面着色器）：它更抽象一些，隱藏了Vertex和Fragment函數，暴露Surface函數作為替代，內部實現了一完整的光照模型。

• Computer Shader（計算着色器）：利用GPU的並行特性，為我們提供單純的數據計算，可以與渲染管線無關。

 

除了Computer Shader外，另外三種並沒有本質的區別。而在書寫Unity Shader時，有一些寫法會影響到執行效率。

 

[Gamma]與[Linear]指定,當顏色空間配制為Gamma時，對屬性變量指定為[Gamma]和[Linear]都是無效的，只有當顏色空間配制為Linear時，指定才有效。所以當我們我們需要將一個Vector做為顏色使用，在Linear顏色空間下，指定其為[Linear]是比[Gamma]要高效的，因為如果指定為[Gamma]，Unity會在CPU端做一次轉換計算。

 

[NoScaleOffset]可以為我們省掉一個變量的分配，如果不需要用到紋理Tiling和Offset，請使用[NoScaleOffset]。

 

 

 

屬性里面還有一個PerRenderData，如果有一個物體，我們進行渲染一百次，是同一個材質，但是我們有時候又需要這一百個物體顯示為不同的顏色，那么怎么做？一種方法是頂點色這樣做，但是這種方法不是特別好，我們還有一種方法可能是直接在材質屬性里面加一個顏色，然后每個材質設不同的顏色。

 

如果要為每個材質設不同的顏色，Unity會幫助你創建一百個這樣的材質，相當於你渲染一百個物體，每個物體顏色不一樣，所以直接設置的時候，會幫助你創建一百個材質，這對於GPU來講會影響，但是更重要是內存方面，會有一百個材質的內存開銷，這是一個最大的瓶頸。所以我們引入了PerRenderData的這么一個屬性的控制，它可以幫你把這個數據。例如：Color顏色，我們不需要將其畫到材質里面，而是通過Render可以設置。

 

現在介紹一下Tags，Tags指定渲染順序，告訴引擎如何以及何時將其渲染。Unity提供給我們一些默認的渲染隊列，每一個對應一個唯一的值，來指導Unity繪制對象到屏幕上。這些內置的渲染隊列被稱為Background, Geometry, AlphaTest，這些隊列不是隨便創建的，它們是為了讓我們更容易地編寫Shader並處理實時渲染的。

 

下面是隊列的描述：

• Background：隊列通常被最先渲染。

• Geometry：默認的渲染隊列。它被用於絕大多數對象。不透明幾何體使用該隊列。

• AlphaTest：通道檢查的幾何體使用該隊列。它和Geometry隊列不同，對於在所有立體物體繪制后渲染的通道檢查的對象，它更有效。

 

我們優化的時候對於不透明的物體不需要從后往前畫，例如：很遠的山或者背景，作為Background，前面作為Geometry，其實前景應該先畫，然后再畫后景。

 

有時候Unity處理的比較粗糙，更多時候需要大家自己進行控制。半透明必須從后往前畫，這里沒有太多辦法進行優化。DisableBatching建議大家不要開啟，默認的情況是不開啟的。

 

ForceNoShadowCasting，例如：當我們畫不透明的物體，需要替換半透明的物體，但是半透明的物體沒有陰影，你可以更改Shader代碼讓它不投射陰影，直接加上ForceNoShadowCasting就可以了。

 

GrabPass，我們需要抓緩沖圖有二種方式，如下圖所示。

 

 

這二種方式的區別是很明顯的，第一種方式是比較低效的，因為GrabPass調用的時候必定會進行抓取的操作，所以沒次都是不同的。但是下面比較高效，一幀里面最多只執行一次，就是第一次使用會執行，后面不會執行。這個根據大家的實際的應用進行選擇。

 

Render State，以前直接寫圖形程序的時候可能會比較關注怎么設置渲染狀態，當它有變化的時候我們需要設置，沒有變化時候該怎么處理?

 

Unity引擎是這樣處理的，它把渲染狀態緩存，緩存的作用就是為了不要頻繁的切換，因為會判斷當前這個狀態和上一次的狀態是不是相同？如果是相同，不需要調用圖形API的接口，因為接口調用也有一定的消耗。那么這里可以引出一個優化點，如果渲染狀態頻繁的切換，那么起不到優化的作用。

 

所以我們寫Shader的時候，盡量不要讓這些連續的，不要有太多的渲染狀態，盡量保證是少的，這樣優化作用是大的。例如：AAA連續和BBB連續畫，這樣的效率高於AB間插的渲染。

 

Alpha Testing，大家知道在移動端，這是限於硬件的機能限制，盡量不要開啟，在移動端開啟，它的性能會比較低。

 

Color Mask，我們在移動端也盡量不要開啟，這是固定的，大家一定要記住，因現在受於移動端的限制，PC端沒有這個限制。

 

Surface Shader優化是比較難的，這里統計了一下我們能夠做什么？我們基本可以做這些事情。默認情況下Surface Shader其實是開啟了所有的計算，我們需要關閉或者模擬一些計算來達到一個優化的目的。

• 首先是Approxview，它從View Direction Normalized移到Vertex Shader進行計算。

• 其次是Halfasview，是使用光照方向和視角方向的中間向量替代一個視角方向，如果大家對比效果，覺得二種比較下來差不多，就可以選擇優化過的效果。

• Noforwarddadd，如果只有一盞像素光，你可以開啟這個選項。

• 最后是環境光，我們可以關掉一個環境光，因為關了之后有一些優化的計算，這里優化強度比較大，但是光照損失也是比較大，如果覺得效果可以接受，就可以關掉它。

 

變體優化是一個比較重要的點，因為很多人覺得Shader很占內存， 上百兆占用都有可能。小的話20多兆，達到上百兆肯定是不行的，那么我們需要查原因，到底什么東西導致我們的Shader變得這么大。

 

Unity提供另外一個關鍵字Shader Feature，它只會把使用的編譯到包里面，而不會把沒有用的編譯里面。Multi_compile則會產生所有的變體。收集變體時需要注意，使用Shader Feature的方式，我們需要創建材質去進行變體的收集，材質需要序列化到場景中。

 

最后講講Shader的代碼優化，我個人覺得它可優化的空間不大，空間大的地方在哪兒？我們思考優化這些最后的效果，思考這些數據是不是真的應該去進入了渲染管線？這是重點。進入渲染管線的數據優化之后，我們再做Shader優化就是錦上添花的事情。

 

首先我們CPU的軟件裁減是不是高效且正確？當然我們會使用Unity的裁減功能，或者可以自己寫。當有Over Draw時，渲染順序是不是可以再優化 。例如：遠處的陰影是不是真的需要開啟？分辨率可以再小一點嗎，最后一個全屏特效做的次數，大家講的Bloom次數非常多，可不可以減少一些？或者其它的全屏特效可不可以集中一次把它做完。這些事情我們思考之后已經優化了很多效率。

 

最后我們可能需要針對代碼去進行優化。那么代碼優化我們需要利用一些工具做，英偉達的工具，iOS我們會使用Xcode，安卓有很多或者高通提供的工具我們都可以使用。

 

我們在代碼優化的幾個重點：

• 我們要保證效果的前提下，盡量把計算放在Vertex Shader 。

• 我們盡量不要寫多pass SubShader。

• 我們善用LOD，我們Mesh有LOD，紋理有Mipmap，Shader也有LOD。GPU執行二個Float的乘法和執行二個Vector4的乘法效率是一樣的。

• 少用分支， 還有一些內置函數，不建議自定義實現，我們可以使用提供的函數，那些是經過優化的。

• 最后是精度問題，Fixed，Half、Float，不同的設備上它的性能不一樣，我們盡量移動端使用一些低精度的數據。PC端這三種是沒有什么區別的。

 

Unity Shader着色器優化需要注意的重點內容就為大家介紹到這里，希望每個開發者都能創建出高效果的Shader。

 

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