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我们在做游戏的时候,应该了解哪些性能因素影响游戏,才能对症下药。对于一个游戏来说,主要有两种计算资源:CPU和GPU。这两者会互相合作,来让游戏可以在预期的帧率和分辨率下工作。CPU负责帧率,GPU主要负责与分辨率相关的一些东西。
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CPU:过多的Draw Calls;复杂的脚本或者物理模拟。
顶点处理:过多的顶点;过多的逐顶点计算。
像素(Fragment)处理(GPU):过多的fragment,overdraws;过多的逐像素计算。
宽带:尺寸很大且未压缩的纹理;分辨率过高的framebuffer。
对于CPU来说,限制它的主要是游戏中的Draw Calls。那么什么是Draw Call呢?在OpenGL中,在每次绘图前,我们都需要先准备好顶点数据(位置、法线、颜色、纹理坐标等),然后调用一系列API把它们放到GPU可以访问到的指定位置,最后,我们需要调用_glDraw命令,来告诉GPU进行渲染,而调用_glDraw命令的时候,就是一次Draw Call。为什么Draw Call会成为性能瓶颈呢(而且是CPU的瓶颈)?我们想要绘制图像时,就一定需要调用Draw Call。例如,一个场景里有水有树,我们渲染水的时候使用的是一个material以及一个shader,但渲染树的时候就需要一个完全不同的material和shader,那么就需要CPU重新准备顶点数据、重新设置shader,而这种工作实际是非常耗时的。如果场景中,每一个物体都使用不同的material、不同的纹理,那么就会产生太多Draw Call,影响帧率,游戏性能就会下降。
如何减少DrawCalls?
主要介绍批处理(Batching)
最常见的就是通过批处理(Batching)了。从名字上来理解,就是一块处理多个物体的意思。那么什么样的物体可以一起处理呢?答案就是使用同一个材质的物体。这是因此,对于使用同一个材质的物体,它们之间的不同仅仅在于顶点数据的差别,即使用的网格不同而已。我们可以把这些顶点数据合并在一起,再一起发送给GPU,就可以完成一次批处理。
Unity中有两种批处理方式:一种是动态批处理,一种是静态批处理。对于动态批处理来说,好消息是一切处理都是自动的,不需要我们自己做任何操作,而且物体是可以移动的,但坏消息是,限制很多,可能一不小心我们就会破坏了这种机制,导致Unity无法批处理一些使用了相同材质的物体。对于静态批处理来说,好消息是自由度很高,限制很少,坏消息是可能会占用更多的内存,而且经过静态批处理后的所有物体都不可以再移动了。
首先来说动态批处理。Unity进行动态批处理的条件是,物体使用同一个材质并且满足一些特定条件。Unity总是在不知不觉中就为我们做了动态批处理。例如下面的场景:这个场景共包含了4个物体,其中两个箱子使用了同一个材质。可以看到,它的Draw Calls现在是3,并且显示Save by batching是1,也就是说,Unity靠Batching为我们节省了1个Draw Call。下面,我们来把其中一个箱子的大小随便改动一下,看看会发生什么:可以发现,Draw Calls变成了4,Save by batching的数目也变成了0。这是为什么呢?它们明明还是只使用了一个材质啊。原因就是前面提到的那些需要满足的其他条件。动态批处理虽然自动得令人感动,但它对模型的要求很多:顶点属性的大限制为900,而且未来有可能会变。不要依赖这个数据。
一般来说,那么所有对象都必须需要使用同一个缩放尺度(可以是(1, 1, 1)、(1, 2, 3)、(1.5, 1.4, 1.3)等等,但必须都一样)。但如果是非统一缩放(即每个维度的缩放尺度不一样,例如(1, 2, 1)),那么如果所有的物体都使用不同的非统一缩放也是可以批处理的。这个要求很怪异,为什么批处理会和缩放有关呢?这和Unity背后的技术有关系。
使用lightmap的物体不会批处理。多passes的shader会中断批处理。接受实时阴影的物体也不会批处理。
上述除了最常见的由于缩放导致破坏批处理的情况,还有就是顶点属性的限制。例如,在上面的场景中我们添加之前未优化后的箱子模型:可以看到Draw Calls一下子变成了5。这是因为新添加的箱子模型中,包含了474个顶点,而它使用的顶点属性有位置、UV坐标、法线等信息,使用的总和超过了900。
动态批处理的条件这么多,一不小心它就不干了,因此Unity提供了另一个方法,静态批处理。接着上面的例子,我们保持修改后的缩放,但把四个物体的“Static Flag”勾选上:
点击Static后面的三角下拉框,我们会看到其实这一步设置了很多东西,这里我们想要的只是“Batching static”一项。这时我们再看Draw Calls,恩,还是没有变化。但是不要急,我们点击运行,变化出现了:
Draw Calls又回到了3,并且显示Save by batching是1。这就是得利于静态批处理。而且,如果我们在运行时刻查看模型的网格,会发现它们都变成了一个名为Combined Mesh (roo: scene)的东西。这个网格是Unity合并了所有标识为“Static”的物体的结果,在我们的例子里,就是四个物体:
你可以要问了,这四个对象明明不是都使用了一个材质,为什么可以合并成一个呢?如果你仔细观察上图的话,会发现里面标明了“4 submeshes”,也就是说,这个合并后的网格其实包含了4个子网格,也就是我们的四个对象。对于合并后后的网格,Unity会判断其中使用同一个材质的子网格,然后对它们进行批处理。
但是,我们再细心点可以发现,我们的箱子使用的其实是同一个网格,但合并后却变成了两个。而且,我们观察运行前后Stats窗口中的“VBO total”,它的大小由241.6KB变成了286.2KB,变大了!
这里就体现了静态批处理的缺点,如果在静态批处理前有一些物体共享了相同的网格(例如这里的两个箱子),那么每一个物体都会有一个该网格的复制品,即一个网格会变成多个网格被发送给GPU。在上面的例子看来,就是VBO的大小明显增大了。如果这类使用同一网格的对象很多,那么这就是一个问题了,这种时候我们可能需要避免使用静态批处理,这意味着牺牲一定的渲染性能。例如,如果在一个使用了1000个重复树模型的森林中使用静态批处理,那么结果就会产生1000倍的内存,这会造成严重的内存影响。这种时候,解决方法要么我们可以忍受这种牺牲内存换取性能的方法,要么不要使用静态批处理,而使用动态批处理(前提是大家使用相同的缩放大小,或者大家都使用不同的非统一缩放大小),或者自己编写批处理的方法。当然,我认为最好的还是使用动态批处理来解决。
有一些小提示可以使用:
尽可能选择静态批处理,但得时刻小心对内存的消耗。
如果无法进行静态批处理,而要使用动态批处理的话,那么请小心上面提到的各种注意事项。例如:
尽可能让这样的物体少并且尽可能让这些物体包含少量的顶点属性。
不要使用统一缩放,或者都使用不同的非统一缩放。
对于游戏中的小道具,例如可以捡拾的金币等,可以使用动态批处理。
对于包含动画的这类物体,我们无法全部使用静态批处理,但其中如果有不动的部分,可以把这部分标识成“Static”。
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