【游戏优化】 - Drawcall

什么是Drawcall？

DrawCall 是 CPU 向 GPU 发送的绘制命令，用于告诉 GPU 如何渲染一个物体或一组物体。它是图形渲染管线中的关键环节，直接影响性能。

1. 数据准备

   • CPU 将物体的网格数据（顶点、法线、UV）、材质参数、纹理资源、变换矩阵（位置、旋转、缩放）等传递到 GPU。
   • 这些数据需要从 CPU 内存（RAM）传输到 GPU 显存（VRAM），涉及带宽和时间开销。

2. 状态配置

   • 配置 GPU 渲染管线的状态，例如：
     • 使用的着色器（Shader）。
     • 渲染模式（如混合、深度测试、光照计算）。
     • 全局参数（如摄像机投影矩阵、光照参数）。

3. 指令提交

   • CPU 调用图形 API（如 OpenGL 的 glDrawElements 或 DirectX 的 DrawIndexedPrimitive）触发 GPU 开始渲染。

DrawCall 为什么影响性能？

1. CPU 与 GPU 的通信开销

   • 每次 DrawCall 需要 CPU 和 GPU 协同工作，频繁的通信会导致 CPU 成为性能瓶颈。
   • 例如：100 个物体逐个绘制需要 100 次 DrawCall，CPU 需要 100 次准备数据并提交命令。

2. GPU 利用率低下

   • GPU 的吞吐量（处理能力）远高于 CPU 的 DrawCall 提交速度。如果 DrawCall 过多，GPU 会频繁“空转”，等待 CPU 提交任务。

3. 纹理切换与状态切换

   • 如果多个物体使用不同材质或纹理，GPU 需要频繁切换状态，这会显著增加开销。

4. 透明物体的特殊处理

   • 透明物体需要按“从后往前”的顺序渲染，且不能与其他物体合批，导致额外的 DrawCall 开销。

如何降低 DrawCall？

降低 DrawCall 的核心思想是 “合批”（Batching），即减少 CPU 向 GPU 提交绘制命令的次数。

• 静态合批（Static Batching）

  • 适用场景：静态物体（如场景中的建筑、地形、不可移动的装饰物）。
  • 原理：在编辑器或运行时将多个静态物体的网格数据合并为一个大网格，减少 DrawCall 数量。
  • 优点：
  • 合并后只需一次 DrawCall 即可渲染所有物体。
  • 减少 CPU 与 GPU 的数据传输。
  • 缺点：
  • 合并后的网格会占用更多显存。
  • 无法对单个物体进行独立的动画或动态修改。

• 动态合批（Dynamic Batching）

  • 适用场景：小规模动态物体（如粒子、小型道具、顶点数较少的物体）。
  • 原理：在运行时将多个动态物体的顶点数据打包到一个批次中，由 GPU 一次性渲染。
  • 优点：
  • 适合动态物体，无需预处理。
  • 减少 CPU 提交命令的次数。
  • 缺点：
  • 仅支持顶点数较少的物体（Unity 默认限制为 900 个顶点）。
  • 不支持复杂材质或蒙皮网格。

• 使用图集（Texture Atlas）

  • 适用场景：需要频繁切换纹理的小物体（如 UI 元素、2D 精灵）。
  • 原理：将多个小纹理合并到一张大纹理图集中，减少纹理切换次数。
  • 优点：
  • 避免频繁的纹理绑定操作。
  • 提高 GPU 渲染效率。
  • 缺点：
  • 图集会占用更多显存。
  • 修改单个纹理需要重新生成图集。

• 使用 GPU Instancing（实例化）

  • 适用场景：大量重复物体（如草地、树木、敌人）。
  • 原理：通过一次 DrawCall 渲染多个相同模型的实例，每个实例可以有不同的位置、颜色等属性。
  • 优点：
  • 显著减少 DrawCall 数量。
  • 适合大规模重复物体的渲染。
  • 缺点：
  • 需要使用支持实例化的着色器（Shader）。
  • 不适合每个实例需要独立材质的场景。

• 遮挡剔除（Occlusion Culling）

  • 适用场景：复杂场景中被遮挡的物体（如室内房间、复杂地形）。
  • 原理：通过算法判断哪些物体被其他物体完全遮挡，无需渲染。
  • 优点：
  • 减少不必要的 DrawCall。
  • 降低 GPU 渲染负担。
  • 缺点：
  • 需要预计算场景的遮挡关系（如 Unity 的 Occlusion Culling 工具）。
  • 实时遮挡剔除（如基于 BVH 的算法）计算开销较高。

• 使用 LOD（Level of Detail）

  • 适用场景：远处或小尺寸物体。
  • 原理：根据物体与摄像机的距离，切换不同精度的模型（低面数模型替代高面数模型）。
  • 优点：
  • 减少远距离物体的渲染开销。
  • 降低 DrawCall 数量。
  • 缺点：
  • 需要为每个物体准备多个 LOD 模型。
  • 模型切换可能导致视觉突变。

• 减少透明物体的渲染

  • 适用场景：透明物体（如玻璃、粒子特效）。
  • 原理：
  • 透明物体需要按“从后往前”的顺序渲染，且不能与其他物体合批。
  • 尽量减少透明材质的使用，或合并透明物体。
  • 优化策略：
  • 合并多个透明物体到一个图集中。
  • 将透明物体的渲染顺序优化为“从后往前”。

通俗理解

想象我们是一个甲方，乙方是一个画家，乙方需要按照我们的需求创作一副复杂的艺术画。

• 甲方（CPU）：负责准备工具、材料，并告诉画家如何画。
• 画家：GPU（负责执行实际的绘制工作）。
• 画布：屏幕（需要渲染的画面）。
• 指令单：DrawCall（CPU 向 GPU 发送的绘制命令）。

1. 甲方频繁下指令：

   • 甲方每次只告诉画家：“画一棵树。”、“画一座房子。”、“画一个角色。”……
   • 每个指令都是一张独立的“指令单”（DrawCall）。
   • 画家需要频繁切换工具（比如从画树的笔换成画房子的笔）、调整颜色（比如从绿色换成灰色）、甚至更换画布区域。

2. 结果：

   • 画家效率极低，因为每次切换工具和颜色都需要时间。
   • 整幅画的完成速度变慢（性能下降）。

现实如何优化

合并指令（批处理）

• 甲方策略：
  • 如果多棵树是同一个颜色和形状（比如松树），甲方可以合并指令：
    • “请一次性画 10 棵松树，放在不同位置。”
  • 画家只需一次调整画笔和颜色，快速完成所有松树。
• 对应技术：静态合批（Static Batching）或动态合批（Dynamic Batching）。

使用统一的调色板（图集）

• 甲方策略：
  • 如果画面中有很多小物体（比如花朵、石头），甲方会将它们的纹理（颜色、图案）提前整理到一张大调色板上（图集）。
  • 画家只需使用这张调色板，无需频繁更换颜料。
• 对应技术：Texture Atlas（纹理图集），减少材质切换。

预制画布（静态合批）

• 甲方策略：
  • 对于固定不变的背景（比如山脉、建筑），甲方提前将它们画在一张大画布上（静态合批）。
  • 画家只需一次性画这张画布，无需重复操作。
• 对应技术：Static Batching（静态批处理）。

批量复制（GPU Instancing）

• 甲方策略：
  • 如果画面中有很多重复的物体（比如草丛、路灯），甲方告诉画家：“请用相同的模板，批量画 100 个草丛，位置不同。”
  • 画家只需一次操作，就能完成所有草丛。
• 对应技术：GPU Instancing（实例化）。

优先画远处（LOD 技术）

• 甲方策略：
  • 对于远处的物体（比如山），甲方会简化细节（用简单的色块代替复杂的纹理）。
  • 画家只需快速勾勒轮廓，节省时间。
• 对应技术：Level of Detail（LOD），根据距离调整模型复杂度。

减少透明物体（优化渲染顺序）

• 甲方策略：
  • 如果画面中有透明物体（比如玻璃窗），甲方会先让画家画所有不透明物体（比如墙壁），再单独处理透明部分。
  • 避免频繁切换透明/不透明模式。
• 对应技术：优化透明物体的渲染顺序（从后往前）。

Unity参考链接