游戏图形批量渲染及优化：Unity静态合批技术

作者：枸杞忧天腾讯GWB游戏无界2020-11-10

作者：枸杞忧天
（本文首发于公众号“偶尔学学Unity”，文章仅为作者观点，不代表GWB立场）

最近在准备公司的技术分享，主题是入门批量渲染，想着反正也总结了，不如充几篇博客吧，也算显得没有那么半途而废，一举两得了。

所以，这次将分四篇介绍一下与批量渲染有关的知识：

第一篇的主题是静态合批；
第二篇的主题是动态合批；
第三篇的主题是实例化渲染；
第四篇的主题是优化骨骼蒙皮动画，以及两种常用的批量渲染方式：烘焙顶点动画与烘焙骨骼矩阵动画。

那就开始吧。

1、批量渲染

批量渲染其实是个老生常谈的话题，它的另一个名字叫做“合批”。在日常开发中，通常说到优化、提高帧率时，总是会提到它。

可以简单的理解为：批量渲染是通过减少CPU向GPU发送渲染命令（DrawCall）的次数，以及减少GPU切换渲染状态的次数，尽量让GPU一次多做一些事情，来提升逻辑线和渲染线的整体效率。但这是建立在GPU相对空闲，而CPU把更多的时间都耗费在渲染命令的提交上时，才有意义。

如果瓶颈在GPU，比如GPU性能偏差，或片段着色器过于复杂等，那么没准适当减少批处理，反而能达到优化的效果。

所以要做性能优化，还是应该先定位瓶颈到底在哪儿，然后再考虑优化方案，而不是一股脑的就啪啪啪合批。

当然，通常情况下，确实是以CPU出现瓶颈更为常见，所以适当的了解些批量渲染的技法，是有那么一丢丢必要的。

2、静态合批

静态合批是一种听起来很常用，但在大多数手游项目里又没那么常用的合批技术。

这里，我简单的将静态合批分为预处理阶段的合并，和运行阶段的批处理。

合并阶段

合并时，引擎将符合合批条件的渲染器身上的网格取出，对网格上的顶点进行空间变换，变换到合并根节点的坐标系下后，再合并成一个新的网格；这里需要注意的是，新网格是以若干个子网格的形式组合而成的，因为需要记录每一个合并前网格的索引数量和起始索引（相对于合并后的新网格）。

空间变换的目的，是为了“固化”顶点缓冲区和索引缓冲区内的数据，使其顶点位置等信息都在相同的坐标系下。这样运行时如果需要对合并后的对象进行空间变换（手动静态合批对象的根节点可被空间变换），则无需修改缓冲区内的顶点属性，只提供根节点的变换矩阵即可。

尽管网格不同、材质不同，Unity也会将它们的网格进行合并

在Unity中，可以通过勾选静态批处理标记，让引擎在打包时自动合并；当然，也可以在运行时调用合并函数，手动合并。

通过勾选开关标记单位参与静态合批

打包时的自动合并会膨胀场景文件，会在一定程度上影响场景的加载时间。

包含静态合批的场景体积大了一丢丢

此外，不同平台对于合并是有顶点和索引数量限制的，超过此限制则会合并成多个新网格。

批处理阶段

运行时是否可以合批（Batch）成功，还取决于渲染器材质的设置。

使用不同的材质，会分为不同的批次

当然，如果手动替换过场景中所有Material，也会打断批次。

运行时手动替换所有渲染器的材质球

不再有合批发生

如果偷偷修改了渲染器使用的网格（不再使用合批后的大网格），也会打断批处理。

替换网格后，也不会再被批处理

除上述之外，还有一些不常用，且不太有用的知识点。

运行时动态加载？

动态加载并实例化一个带静态标记的GameObject到场景中，是不会被当做静态合批处理的。换言之，静态标记只被作为是打包时的考虑参数，并不会在运行时被引擎处理。如果在场景加载后，希望对手动实例化的单位进行静态合批，可以使用手动静态合批。

合并根节点的空间变换

自动静态合批的根节点在场景上，因此无法对其进行空间变换；而手动静态合批，因为根节点不是场景而是一个游戏对象，所以可以通过修改根节点的空间属性（位置、大小及缩放值），达到诸如移动整个合批单位的目的。

当然，即使修改了合批后对象的空间属性，顶点和索引缓冲区里的数据也不会被修改，引擎会在渲染前，通过ConstBuffer（UniformBuffer）传入根节点的变换矩阵，达到了整体变换的目的。

Batch ≠ DrawCall

一次静态合批，并不表示一定只有一次DrawCall命令的调用。

合并发生后，每个参与合批的网格信息（顶点、索引等）就会被最终确定，不再被修改。当一个参与合并的单位不显示时，如被设置为隐藏或被视椎体剔除，引擎并不会修改顶点缓冲区和索引缓冲区的内容，而会拆分若干个小的DrawCall来分次渲染。通过调整每个DrawCall的索引（起始索引、索引个数）来跳过不应该被显示的单位。

通过两次DrawCall来跳过隐藏的三角形

由于，这些DrallCall之间几乎没有渲染状态的切换，效率较高，所以引擎也将其统计为一次合批（尽管包含若干个DrawCall）。

隐藏掉部分立方体后，形成了两次DrawCall

引擎的Statistics窗口、FrameDebugger和Profiler(Renderer)会体现出这种差异

静态合批包含了多个材质时，引擎在材质分组后的处理方式也是相同的，只是不同材质在渲染时，都使用了相同的顶点、索引缓冲区。

与直接使用大网格的不同

静态合批与直接使用大网格（是指直接制作而成，非静态合并产生的网格）的不同，主要体现在两方面。

其一，静态合批可以主动隐藏部分对象。静态合批在运行时，由于每个参与合并的对象可以通过起始索引等彼此区分，因此可以通过上述多次DrawCall的策略，实现隐藏指定的对象；而直接使用大网格，则无法做到这一点。

其二，静态合批可以有效参与CPU的视锥剔除。当有剔除发生时，被送进渲染管线的顶点数量就会减少（通过参数控制），也就意味着被顶点着色器处理的顶点会减少，提升了GPU的效率；而使用大网格渲染时，由于整个网格都会被送进渲染管线，因此每一个顶点都需要被顶点着色器处理，如果摄像机只能照到一点点，那么绝大多数参与计算的顶点最后都会被裁减掉，有一些浪费。

大网格不会被视锥体剔除，全部顶点都会被送进渲染管线

静态合批会被视锥体剔除，只有部分顶点被送进渲染管线

静态合批下合并后的网格

静态合批下，顶点着色器只处理了部分顶点

当然，这并不意味着静态合批一定就比使用大网格要更好。如果子网格数量非常多，视锥剔除时CPU的压力也会增加，所以具体情况具体分析吧~

3、静态合批的利弊

静态合批采用了以空间换时间的策略来提升渲染效率。

其优势在于：网格通常在预处理阶段（打包）时合并，运行时顶点、索引信息也不会发生变化，所以无需CPU消耗算力维护；若采用相同的材质，则以一次渲染命令，便可以同时渲染出多个本来相对独立的物体，减少了DrawCall的次数。

在渲染前，可以先进行视锥体剔除，减少了顶点着色器对不可见顶点的处理次数，提高了GPU的效率。

其弊端在于：合批后的网格会常驻内存，在有些场景下可能并不适用。比如森林中的每一棵树的网格都相同，如果对它采用静态合批策略，合批后的网格基本等同于：单颗树网格 x 树的数量，这对内存的消耗可能就十分巨大了。