在Unity3D中的渲染优化-Drawcall的概念以及如何减少Drawcall

Draw Call本身的含义很简单,就是CPU调用图像编程接口,如OpenGL中的glDrawElements命令或者DirectX中的DrawIndexedPrimitive命令,以命令GPU进行渲染的操作。

一个常见的误区是,Draw Call中造成性能问题的元凶是GPU,认为GPU上的状态切换是耗时的,其实不是的,真正“拖后腿”其实的是CPU。

在深入理解Draw Call之前,我们先来看一下CPU和GPU之间的流水线化是怎么实现的,即它们是如何相互独立一起工作的。

1.CPU和GPU是如何实现并行工作的?

如果没有流水线化,那么CPU需要等到GPU完成上一个渲染任务才能再次发送渲染命令。但这种方法显然会造成效率低下。我们需要让CPU和GPU可以并行工作。而解决方法就是使用一个命令缓冲区(Command Buffer)

命令缓冲区包含了一个命令队列,由CPU向其中添加命令,而由GPU从中读取命令,添加和读取的过程是互相独立的。命令缓冲区使得CPU和GPU可以相互独立工作。当CPU需要渲染一些对象时,它可以向命令缓冲区中添加命令,而当GPU完成了上一次的渲染任务后,它就可以从命令队列中再取出一个命令并执行它。

命令缓冲区中的命令有很多种类,而Draw Call是其中一种,其他命令还有改变渲染状态等(例如改变使用的着色器,使用不同的纹理等)

2.为什么Draw Call多了会影响帧率?

我们先来做一个实验:请创建10 000个小文件,每个文件的大小为1KB,然后把它们从一个文件夹复制到另一个文件夹。你会发现,尽管这些文件的空间总和不超过10MB,但要花费很长时间。现在,我们再来创建一个单独的文件,它的大小是10MB,然后也把它从一个文件夹复制到另一个文件夹。而这次复制的时间却少很多!这是为什么呢?明明它们所包含的内容大小是一样的。原因在于,每一个复制动作需要很多额外的操作,例如分配内存、创建各种元数据等。如你所见,这些操作将造成很多额外的性能开销,如果我们复制了很多小文件,那么这个开销将会很大。

渲染的过程虽然和上面的实验有很大不同,但从感性角度上是很类似的。在每次调用Draw Call之前,CPU需要向GPU发送很多内容,包括数据、状态和命令等。在这一阶段,CPU需要完成很多工作,例如检查渲染状态等。而一旦CPU完成了这些准备工作,GPU就可以开始本次的渲染。GPU的渲染能力是很强的,渲染200个还是2 000个三角网格通常没有什么区别,因此渲染速度往往快于CPU提交命令的速度。如果Draw Call的数量太多,CPU就会把大量时间花费在提交Draw Call上,造成CPU的过载。

3.如何减少Draw Call?

尽管减少Draw Call的方法有很多,但这里仅讨论使用批处理(Batching)的方法。

提交大量很小的Draw Call会造成CPU的性能瓶颈,即CPU把时间都花费在准备Draw Call的工作上了。那么,一个很显然的优化想法就是把很多小的DrawCall合并成一个大的Draw Call,这就是批处理的思想。

需要注意的是,由于我们需要在CPU的内存中合并网格,而合并的过程是需要消耗时间的。因此,批处理技术更加适合于那些静态的物体,例如不会移动的大地、石头等,对于这些静态物体我们只需要合并一次即可。当然,我们也可以对动态物体进行批处理。但是,由于这些物体是不断运动的,因此每一帧都需要重新进行合并然后再发送给GPU,这对空间和时间都会造成一定的影响。

在游戏开发过程中,为了减少Draw Call的开销,有两点需要注意。

(1)避免使用大量很小的网格。当不可避免地需要使用很小的网格结构时,考虑是否可以合并它们。

(2)避免使用过多的材质。尽量在不同的网格之间共用同一个材质。

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