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Steam这套unity阴影优化方案，可以减少超40倍内存消耗
本文将由游戏开发者Michael Short分享Unity中的阴影优化。
我们在开发游戏的过程中使用了一个投影式阴影系统，它类似阴影贴图，会从光源的角度渲染对象，然后把阴影从光源投射到场景。
在开发游戏的过程中，使用功能丰富的Unity阴影贴图解决方案会显得有些浪费。因为我们不希望为所有内容渲染动态阴影，而只打算对场景的较小物体渲染动态阴影。我们想更好控制对阴影的过滤，通过添加模糊效果，使阴影更加柔和。
我们在对游戏进行性能分析时，发现生成这类阴影贴图需要总体帧时间中大约12%，因此我们仔细研究如何减少这项开销，以及系统消耗的内存量。
优化工具
首先是启动性能分析工具，对Android系统进行分析时，使用RenderDoc，对iOS系统进行分析时，使用XCode。
如下图所示，RenderDoc是一款免费的性能分析和调试工具，可以连接到托管Android设备，获取帧的跟踪信息。
如下图所示，XCode是MacOS上的首选开发应用程序，我们可以通过在调试菜单选择选项，随时获取GPU帧信息。
充分利用空间
通过对两个平台使用渲染目标查看器，我们发现阴影贴图渲染目标的内容只是整个纹理的一小部分。渲染目标中大概有超过50%的像素未被使用，这是对空间的极大浪费。
我们使用了投射阴影和定向光，正交投影模式往往更容易控制和调整。使用该模式可能会丢失一些方向，但这不算什么问题。我们把投影模式改为正交模式并调整好光源位置，从而更好地使用可用的渲染目标空间。
最后，我们可以把阴影贴图纹理的分辨率从128×128减少为64×64，即原始大小的1/4。移动设备的最大瓶颈之一是带宽，移动设备具有小型总线。在总线上减少75%的数据量会节省很多带宽，而且同时会减少75%的着色片段后，因此我们可以实现很大的性能增益效果。
多重采样抗锯齿
由于我们使用了较小渲染目标，在对象开始在渲染目标中移动时，我们会注意到大量锯齿现象。由于移动端GPU的工作方式，多重采样抗锯齿效果MSAA的开销很小。
移动端GPU使用了基于平铺的架构，所有抗锯齿工作都在芯片上完成，额外内存都在平铺内存上。通过使用4x MSAA和较小渲染纹理可以获得更好的结果，只需稍微增加处理开销。
渲染目标格式
我们的阴影贴图渲染纹理使用R8G8B8A8格式，而且仅使用了两个通道。第一个通道是R通道，用于存储阴影本身，第二个通道是G通道，用于存储线性衰减。我们的美术要求阴影强度随距离而衰减。
通过进一步研究发现，实际上并不需要存储这两个信息，我们只需要阴影值或衰减值，具体取决于为阴影投影对象启用的功能。我们把渲染目标格式改为8位单通道格式即R8格式，这样进一步减少1/4的纹理大小，而且大大降低带宽。
模糊方法
在给阴影贴图填充渲染纹理后，我们要使阴影贴图变得模糊。这样可以减少使用较小纹理时出现的瑕疵，同时呈现出柔和的阴影效果。
我们使用了3×3方块模糊，在每个像素有9个纹理采样。此外，我们之前没有使用带有半像素偏移的双线性滤镜。我们添加了该选项，使其仅采样周围边缘的像素和半像素偏移，这样使采样数量从9降低到5。
如下图所示，由左至右分别是原图、采样5模糊、采样9模糊。
通过使用纹理坐标，我们会从纹理采样体素。启用点过滤时，在两个体素之间采样会导致只有其中一个体素被采样。
由于启用了双线性过滤，GPU会线性混合两个体素，返回两个体素的平均值。如果我们添加额外的半像素偏移，我们能够以一个像素的开销采样两个像素。
减少算术逻辑单元指令
Unity不支持通用边界纹理包装模式，因此我们必须给模糊着色器添加逻辑，使它检查当前体素是否是边界体素，如果是的话，使它保持清晰效果。这样可以避免阴影在接收平面上变得模糊不清。
着色器代码使用内在函数Step来计算当前体素是否是边界体素。固有函数Step类似if语句，我通过调整这部分代码，使它改为使用floor函数，这样使算术逻辑单元数量从13减少为9。虽然看似不多，但在渲染纹理中对每个像素这样做时，优化效果会逐渐积累。
在编写着色器时，我们可以观察Unity的检视窗口。在检视窗口中，选中着色器时，单击“Compile and show code”按钮。这样会编译着色器代码，并在文本编辑器中打开它。
在编译后的着色器代码顶部，我们会看到着色器使用了多少算术逻辑单元和Tex指令。
复制代码
如果想要更多信息，我们可以下载并使用Mali Offline Shader Compiler。只需复制编译后的着色器代码，即#if VERTEX或#if FRAGMENT下的代码，把它保存到.vert或.frag格式的文件中即可。
我们可以通过编译器运行文件，它会展示我们着色器的统计信息。
复制代码
从上图中，我们发现名为5Tap的模糊着色器使用了：
OnRenderImage函数
在模糊通道的结尾，我们发现还有一个额外的Blit函数，它会复制模糊纹理到另一个渲染目标。经过研究发现，即使我们指定模糊的渲染纹理为R8格式，它的格式依旧为R8G8B8A8，其实这是一个Bug。
OnRenderImage会传递32位的目标纹理，然后它的数值会复制到最终目标格式。这样是无法接受的，因此我们对管线进行了修改。
我们现在会手动分配渲染纹理，在OnPostRender函数中执行模糊过程。
复制代码
深度缓冲区
如果我们非常希望节省内存，可以禁用深度缓冲区，但这意味着色调的Overdraw增多。
如果我们清楚这对阴影贴图渲染目标产生什么影响，而且知道这不会产生过多Overdraw，那么可以考虑禁用深度缓冲区。
但是一定记得进行性能分析，并在禁用前确定自己是否真的很想要这些额外的几千字节空间。
性能指标
我们可以看到本文示例项目中渲染单个阴影贴图的开销。通过使用XCode GPU Frame Debugger对iPhone 6s进行测试，我们得到了下面的数据。
我们发现，渲染该阴影贴图的开销和原始开销相比，减少了50%。由于减少渲染目标的大小，使用较小纹理格式，去掉不必要的Blit函数，并且可以不使用深度缓冲区。
我们的内存消耗量从320kb减少为8kb，使用16位深度缓冲区会使内存消耗量变为16kb，节省了大量带宽。
小结
在最佳情况下，我们可以减少超过40倍的内存消耗和带宽使用量，还可以将阴影系统的整体开销降低50%以上。
这样的优化效果不意味着我们可以拥有两倍数量的阴影。所以我们花了2～3天进行性能分析，优化和修改，这些时间都是值得的。
下载Unity Connect APP，请点击此处。观看部分Unity官方视频，请关注B站帐户：Unity官方。
作者： Michael Short
来源：unity官方
原地址：https://mp.weixin.qq.com/s/nYDrc_9v7XNZUTNfr5IQoQ
我们在开发游戏的过程中使用了一个投影式阴影系统，它类似阴影贴图，会从光源的角度渲染对象，然后把阴影从光源投射到场景。
在开发游戏的过程中，使用功能丰富的Unity阴影贴图解决方案会显得有些浪费。因为我们不希望为所有内容渲染动态阴影，而只打算对场景的较小物体渲染动态阴影。我们想更好控制对阴影的过滤，通过添加模糊效果，使阴影更加柔和。
我们在对游戏进行性能分析时，发现生成这类阴影贴图需要总体帧时间中大约12%，因此我们仔细研究如何减少这项开销，以及系统消耗的内存量。
优化工具
首先是启动性能分析工具，对Android系统进行分析时，使用RenderDoc，对iOS系统进行分析时，使用XCode。
如下图所示，RenderDoc是一款免费的性能分析和调试工具，可以连接到托管Android设备，获取帧的跟踪信息。
如下图所示，XCode是MacOS上的首选开发应用程序，我们可以通过在调试菜单选择选项，随时获取GPU帧信息。
充分利用空间
通过对两个平台使用渲染目标查看器，我们发现阴影贴图渲染目标的内容只是整个纹理的一小部分。渲染目标中大概有超过50%的像素未被使用，这是对空间的极大浪费。
我们使用了投射阴影和定向光，正交投影模式往往更容易控制和调整。使用该模式可能会丢失一些方向，但这不算什么问题。我们把投影模式改为正交模式并调整好光源位置，从而更好地使用可用的渲染目标空间。
最后，我们可以把阴影贴图纹理的分辨率从128×128减少为64×64，即原始大小的1/4。移动设备的最大瓶颈之一是带宽，移动设备具有小型总线。在总线上减少75%的数据量会节省很多带宽，而且同时会减少75%的着色片段后，因此我们可以实现很大的性能增益效果。
多重采样抗锯齿
由于我们使用了较小渲染目标，在对象开始在渲染目标中移动时，我们会注意到大量锯齿现象。由于移动端GPU的工作方式，多重采样抗锯齿效果MSAA的开销很小。
移动端GPU使用了基于平铺的架构，所有抗锯齿工作都在芯片上完成，额外内存都在平铺内存上。通过使用4x MSAA和较小渲染纹理可以获得更好的结果，只需稍微增加处理开销。
渲染目标格式
我们的阴影贴图渲染纹理使用R8G8B8A8格式，而且仅使用了两个通道。第一个通道是R通道，用于存储阴影本身，第二个通道是G通道，用于存储线性衰减。我们的美术要求阴影强度随距离而衰减。
通过进一步研究发现，实际上并不需要存储这两个信息，我们只需要阴影值或衰减值，具体取决于为阴影投影对象启用的功能。我们把渲染目标格式改为8位单通道格式即R8格式，这样进一步减少1/4的纹理大小，而且大大降低带宽。
模糊方法
在给阴影贴图填充渲染纹理后，我们要使阴影贴图变得模糊。这样可以减少使用较小纹理时出现的瑕疵，同时呈现出柔和的阴影效果。
我们使用了3×3方块模糊，在每个像素有9个纹理采样。此外，我们之前没有使用带有半像素偏移的双线性滤镜。我们添加了该选项，使其仅采样周围边缘的像素和半像素偏移，这样使采样数量从9降低到5。
如下图所示，由左至右分别是原图、采样5模糊、采样9模糊。
通过使用纹理坐标，我们会从纹理采样体素。启用点过滤时，在两个体素之间采样会导致只有其中一个体素被采样。
由于启用了双线性过滤，GPU会线性混合两个体素，返回两个体素的平均值。如果我们添加额外的半像素偏移，我们能够以一个像素的开销采样两个像素。
减少算术逻辑单元指令
Unity不支持通用边界纹理包装模式，因此我们必须给模糊着色器添加逻辑，使它检查当前体素是否是边界体素，如果是的话，使它保持清晰效果。这样可以避免阴影在接收平面上变得模糊不清。
着色器代码使用内在函数Step来计算当前体素是否是边界体素。固有函数Step类似if语句，我通过调整这部分代码，使它改为使用floor函数，这样使算术逻辑单元数量从13减少为9。虽然看似不多，但在渲染纹理中对每个像素这样做时，优化效果会逐渐积累。
在编写着色器时，我们可以观察Unity的检视窗口。在检视窗口中，选中着色器时，单击“Compile and show code”按钮。这样会编译着色器代码，并在文本编辑器中打开它。
在编译后的着色器代码顶部，我们会看到着色器使用了多少算术逻辑单元和Tex指令。
- // 统计：5次数学运算，5个纹理
- Shader Disassembly:
- #version 100
- #ifdef VERTEX
如果想要更多信息，我们可以下载并使用Mali Offline Shader Compiler。只需复制编译后的着色器代码，即#if VERTEX或#if FRAGMENT下的代码，把它保存到.vert或.frag格式的文件中即可。
我们可以通过编译器运行文件，它会展示我们着色器的统计信息。
- malisc --vertex myshader.vert malisc --fragment myshader.frag
从上图中，我们发现名为5Tap的模糊着色器使用了：
- 2个算术逻辑单元指令
- 3个读取/存储指令
- 5个纹理指令
OnRenderImage函数
在模糊通道的结尾，我们发现还有一个额外的Blit函数，它会复制模糊纹理到另一个渲染目标。经过研究发现，即使我们指定模糊的渲染纹理为R8格式，它的格式依旧为R8G8B8A8，其实这是一个Bug。
OnRenderImage会传递32位的目标纹理，然后它的数值会复制到最终目标格式。这样是无法接受的，因此我们对管线进行了修改。
我们现在会手动分配渲染纹理，在OnPostRender函数中执行模糊过程。
- private void OnPostRender()
- {
- if (shadowQuality != ShadowQuality.Hard)
- {
- SetupBlurMaterial();
- blurTex.DiscardContents();
- Graphics.Blit(shadowTex, blurTex, blurMat, 0);
- }
- }
深度缓冲区
如果我们非常希望节省内存，可以禁用深度缓冲区，但这意味着色调的Overdraw增多。
如果我们清楚这对阴影贴图渲染目标产生什么影响，而且知道这不会产生过多Overdraw，那么可以考虑禁用深度缓冲区。
但是一定记得进行性能分析，并在禁用前确定自己是否真的很想要这些额外的几千字节空间。
性能指标
我们可以看到本文示例项目中渲染单个阴影贴图的开销。通过使用XCode GPU Frame Debugger对iPhone 6s进行测试，我们得到了下面的数据。
我们发现，渲染该阴影贴图的开销和原始开销相比，减少了50%。由于减少渲染目标的大小，使用较小纹理格式，去掉不必要的Blit函数，并且可以不使用深度缓冲区。
我们的内存消耗量从320kb减少为8kb，使用16位深度缓冲区会使内存消耗量变为16kb，节省了大量带宽。
小结
在最佳情况下，我们可以减少超过40倍的内存消耗和带宽使用量，还可以将阴影系统的整体开销降低50%以上。
这样的优化效果不意味着我们可以拥有两倍数量的阴影。所以我们花了2～3天进行性能分析，优化和修改，这些时间都是值得的。
下载Unity Connect APP，请点击此处。观看部分Unity官方视频，请关注B站帐户：Unity官方。
作者： Michael Short
来源：unity官方
原地址：https://mp.weixin.qq.com/s/nYDrc_9v7XNZUTNfr5IQoQ
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