Unity中的静态合批、动态合批、GPU Instance 以及SRP Batching

Unity中的静态合批、动态合批、GPU Instance 以及SRP Batching

四种合批简介

GPU instancing

GPU instancing: 对同一网格，同时渲染多个副本时使用，底层调用的是多实例渲染接口，例如OpenGL的glDrawArraysInstanced接口。GPU实例对于绘制场景中多次出现的几何图形（例如，树或灌木丛）非常有用。首先使用GPU Instance，需要材质着色器支持 GPU 实例化，接着就可以在 Project 窗口中选择材质，最后在 Inspector 中勾选 Enable Instancing 复选框。

特点：

• 使用 GPU 实例化可使用少量绘制调用一次绘制（或渲染）同一网格的多个副本。
• GPU 实例化在每次绘制调用时仅渲染相同的网格，但每个实例可以具有不同的参数（例如，颜色或比例）以增加变化并减少外观上的重复。
• GPU 实例化可以降低每个场景使用的绘制调用数量。可以显著提高项目的渲染性能。

使用GPU Instance的限制条件：

• Unity 自动选取要实例化的网格渲染器组件和 Graphics.DrawMesh 调用。请注意，不支持 SkinnedMeshRenderer（骨骼蒙皮渲染）。

• Unity 仅在单个 GPU实例化绘制调用中，批量处理那些共享相同网格和相同材质的游戏对象。使用少量网格和材质可以提高实例化效率。要创建变体，请修改着色器脚本为每个实例添加数据，下述shaderlab代码为官方示例代码。

• 还可以使用 Graphics.DrawMeshInstanced 和 Graphics.DrawMeshInstancedIndirect 调用来通过脚本执行 GPU 实例化。

使用实例化渲染实例代码

Shader "Custom/InstancedColorSurfaceShader" {
    Properties {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
    }

    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200
        CGPROGRAM
        // 基于物理的标准光照模型，并对所有光照类型启用阴影
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows
        // 使用 Shader Model 3.0 目标
        #pragma target 3.0
        sampler2D _MainTex;
        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };
        half _Glossiness;
        half _Metallic;
        UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)
           UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(fixed4, _Color)
        UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)
        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP(Props, _Color);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Metallic = _Metallic;
            o.Smoothness = _Glossiness;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}
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然后可以在C#脚本中给对应的对象设置Color属性

MaterialPropertyBlock props = new MaterialPropertyBlock();
MeshRenderer renderer;

foreach (GameObject obj in objects)
{
   float r = Random.Range(0.0f, 1.0f);
   float g = Random.Range(0.0f, 1.0f);
   float b = Random.Range(0.0f, 1.0f);
   props.SetColor("_Color", new Color(r, g, b));
   
   renderer = obj.GetComponent<MeshRenderer>();
   renderer.SetPropertyBlock(props);
}
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更多关于Unity GPU Instance的内容，请点击这里查看官方文档

static Batching

• static Batching：静态合批，一般合批的对象是场景中不能动的物体，静态物体，并且在inspector界面勾选上static选项；Unity预先组合静态GameObjects的网格，然后将组合的数据发送到GPU，但单独渲染组合中的每个网格，静态合批不会减小drawcall，只是减少了渲染状态的改变次数。Unity仍然可以单独筛选网格，但每次绘制调用都不会占用大量资源，因为数据的状态永远不会改变。在Unity开启Static Batching，依次点击 Edit > Project Settings > Playe->Other Settings->enable Static Batching。对于Unity使用静态合批的具体要求可以参照官方文档
• 支持静态合批的Unity渲染管线：默认渲染管线、URP（通用渲染管线）、HDRP、SRP。
• 在运行时，通过脚本使用静态合批：Unity提供了运行时，通过脚本使用静态合批口：StaticBatchingUtility.Combine，这是一个静态方法，通过这种方式调用静态合批，就不需要在编辑器的inspector界面勾选上Static选项。
• static Batching缺点与限制：使用静态合批会增加内存！，因为使用静态合批，需要在内存中存储合成的几何体数据；如果多个GameObject使用了相同的网格数据，Unity会为每一个GameObject创建一个网格副本，这就意味着相同的几个数据有可能会出现多次！所以如果内存过大，就尽量避免使用静态合批。对于每一次静态合批，顶点数的限制时64000，如果超过这个值，Unity就会再次创建另外一个批次(Batch)。

Dynamic batching

• Dynamic batching ：动态合批，一般处理的是动态物体；在CPU上变换网格顶点，对共享相同配置的顶点进行分组，并在一次绘制调用中渲染它们。如果顶点存储相同数量和类型的属性，则它们共享相同的配置。例如，位置和法线。 在Unity开启动态合批，依次点击Edit > Project Settings > Player->Other Settings->enable Dynamic Batching。对于Unity使用动态合批的具体要求可以参照官方文档
• 特点：由于动态合批是通过将多个符合要求的GameObject的顶点一起转换到世界空间，提升性能；相当于是作用在CPU，所以只有在顶点的转换过程比一个绘制调用(Draw Call)过程消耗更低，这种策略才是一个合理的选择。
• 支持是动态合批的Unity渲染管线：默认渲染管线、URP、SRP。
• Dynamic batching的限制：动态合批对于顶点属性的数量有限制，不能超过900个顶点属性，例如，材质的shader使用了位置、法线、UV坐标，那么顶点数就是900 / 3 = 300，如果使用了vertex position, vertex normal, UV0, UV1, 和 vertex tangent，那么顶点数量的限制就是 900 / 5 = 180；

SRP Batcher

• **SRP Batcher：**如果项目使用脚本化渲染管道（SRP），使用SRP批处理，可以减少渲染状态的切换，这样会同样可以提升渲染新能，因为满足srp管线的材质，在显存中都有一个CBuffer，只要材质的参数没变，就不用每一帧都提交和设置材质的渲染状态 ，按照官网上上面的文档描述，使用SRP Batcher，其中一个要求是：材质可以不同，但是材质使用的Shader变体必须一致，这个和上面的三种合批方式很不一样。

在SRP Batcher中，GameObject的内置引擎属性（transform等）是有专门的提交路径(下图实线箭头所示)，和材质的提交是分开的（下图虚线所示），这样做的好处是，我们每帧都更新一些必要的属性，例如位置，大小等信息，而材质就可以以增量改变的方式提交给GPU，而恰好材质的提交（渲染状态的改变）是非常印象效率的，在SRP Batcher管线中，每一种材质在GPU内存中都有一个CBuffer存放对应的参数，只要材质的参数没有发生变化，那么在每一帧中就不必从CPU提交材质到GPU。从而减少CPU的消耗，提升渲染效率，官网上的示意图如下：

图集的作用

在上述的合批中，多数都是要求使用相同的材质（meterail），而贴图也是属于材质的一种属性，如果两个材质仅仅贴图不一样，这也会导致材质不一样，就不印象合批，所以把多张贴图打包为图集，这样就可以是的材质引用同一份贴图，使得合批得以进行。

不同合批的优先级

1. SRP Batcher and static batching
2. GPU instancing
3. Dynamic batching

SRP Batcher和static batching可以共存，如果一个GameObject使用了static batching，Unity就会禁用GPU instancing ，即使GameObject使用的是GPU instancing Shader； 如果一个GameObject使用了GPU instancing ， Unity就会禁用Dynamic batching；

合批的优先级官网文档参考链接

UGUI中的mask组件，会增加draw call分析：

Stencil 状态
Stencil 状态即模板测试，通过模板缓冲来实现特定的效果，在 Unity 中，Mask 组件就是通过该功能实现，一个 Mask 组件及其控制的渲染节点，需要至少三次 Draw call。第一次开启模板测试并调用一次 Draw call，刷新模板缓冲。第二次绘制对需要通过模板测试的区域进行设置。第三次再进行实际的子节点内容绘制，绘制结束再关闭模板测试。因此使用 Mask 组件就无法与其他相邻节点进行批次处理，但是 Mask 组件内部的连续节点在满足合并规则的情况下还是会进行合批。

Stencil 使用的最佳实践
如果界面内使用大量 Mask 组件会带来 Draw call 的剧增，因此应该尽量减少 Mask 组件的使用。如有使用 Mask 组件的节点，应该尽量不要穿插在连续并且可以进行批次合并的节点层级内，这样也可以尽量规避 Mask 打断本可以合并批次的一系列连续节点。