Unity入门批量渲染（一）：静态合批

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1. 批量渲染

批量渲染（Batch Rendering），也称为合批（Batching），是游戏开发中一个重要的性能优化技术。它的核心目标是通过减少CPU向GPU发送渲染命令（Draw Calls）的次数，以及减少GPU切换渲染状态的次数，从而提升整体渲染效率和帧率。

批量渲染的基本原理

减少Draw Calls：每次渲染物体时，CPU需要向GPU发送一个渲染命令（Draw Call）。如果场景中有大量的物体，每个物体都需要单独发送命令，这会导致CPU负担加重，影响性能。通过合批，可以将多个物体的渲染命令合并为一个，从而减少Draw Calls的数量。
状态切换优化：GPU在渲染过程中需要频繁切换状态（如材质、纹理等），每次切换都会带来性能损耗。通过合批，可以将使用相同材质和纹理的物体一起渲染，减少状态切换的次数。

适用场景

批量渲染的优化效果通常在以下情况下更为明显：

CPU瓶颈：当CPU的性能成为瓶颈时，批量渲染可以有效减少CPU的负担，提高渲染效率。
大量小物体：在场景中有大量小物体（如树木、石头等）时，合批可以显著减少Draw Calls，提高性能。

注意事项

尽管批量渲染在许多情况下能够带来性能提升，但并不是所有情况下都适用。以下是一些需要注意的事项：

GPU瓶颈：如果性能瓶颈在GPU端（例如，GPU性能不足或片段着色器过于复杂），减少批处理可能会导致性能下降。在这种情况下，优化GPU性能可能更为重要。
合批限制：Unity等引擎对合批有一定的限制，例如，动态物体的合批通常受到材质和变换的影响。了解这些限制可以帮助开发者更有效地使用合批技术。
性能分析：在进行性能优化时，首先需要定位瓶颈。使用性能分析工具（如Unity Profiler）来监测CPU和GPU的性能，确定优化的方向。

结论

批量渲染是提升游戏性能的重要手段，尤其是在CPU成为瓶颈的情况下。通过减少Draw Calls和状态切换，开发者可以显著提高渲染效率。然而，优化的前提是对性能瓶颈的准确定位，避免盲目追求合批而忽视其他潜在的性能问题。了解批量渲染的原理和应用场景，将有助于开发者在实际开发中做出更明智的优化决策。

2. 静态合批

静态合批（Static Batching）是一种在游戏开发中常用的优化技术，尤其是在处理大量静态物体时。尽管它在理论上非常有效，但在许多手游项目中并不总是被广泛应用。以下是对静态合批的详细介绍，包括其工作原理、合并阶段的细节以及在Unity中的应用。

静态合批的基本原理

静态合批的核心思想是将多个静态物体的网格合并为一个单一的网格，以减少Draw Calls，从而提高渲染性能。静态合批主要分为两个阶段：合并阶段和运行阶段。

合并阶段

在合并阶段，Unity引擎会对符合合批条件的渲染器进行处理，具体步骤如下：

网格提取：
- 引擎会从每个符合条件的渲染器中提取网格数据。
空间变换：
- 提取的网格顶点会被转换到一个共同的坐标系下。这一过程称为空间变换，目的是将所有网格的顶点位置“固化”在同一坐标系中。
合并网格：
- 合并后的新网格会以若干个子网格的形式组合而成。每个子网格会记录合并前网格的索引数量和起始索引，以便在渲染时能够正确访问原始数据。
变换矩阵：
- 在运行时，如果需要对合并后的对象进行空间变换（例如，移动、旋转或缩放），只需提供合并根节点的变换矩阵，而无需修改缓冲区内的顶点属性。

Unity中的静态合批

在Unity中，静态合批的使用相对简单。开发者可以通过以下方式启用静态合批：

勾选静态批处理标记：在Unity编辑器中，选中需要合批的对象，并在Inspector面板中勾选“Static”选项。这样，Unity在打包场景时会自动合并这些对象。
手动合并：开发者也可以在运行时调用合并函数，手动进行静态合批。

性能考虑

尽管静态合批可以显著减少Draw Calls，但在使用时需要注意以下几点：

场景文件膨胀：
- 自动合并会导致场景文件的大小增加，从而可能影响场景的加载时间。因此，在使用静态合批时，需要权衡性能提升与加载时间之间的关系。
平台限制：
- 不同平台对合并的顶点和索引数量有一定的限制。如果合并后的网格超过了这些限制，Unity会将其分成多个新网格，这可能会影响合批效果。
适用场景：
- 静态合批适用于场景中大量静态物体的情况，如建筑、地面等。对于动态物体，静态合批则不适用。

结论

静态合批是一种有效的性能优化技术，能够通过减少Draw Calls来提升渲染效率。尽管在手游项目中并不总是被广泛应用，但在适当的场景中，静态合批可以显著改善性能。开发者在使用静态合批时，应注意合并的条件、平台限制以及对场景加载时间的影响，以便做出最佳的优化决策。

批处理阶段

在静态合批的运行时阶段，合批的成功与否不仅取决于合并阶段的设置，还受到多个因素的影响。以下是对批处理阶段的详细分析，包括材质设置、动态加载、空间变换、Draw Call的概念以及静态合批与大网格的比较。

1. 材质设置

在运行时，渲染器的材质设置对合批的成功至关重要。如果在场景中手动替换了所有的材质，或者渲染器使用的网格被修改为不再使用合并后的大网格，这将会打断批处理。因此，确保所有参与合批的对象使用相同的材质是非常重要的。

2. 动态加载

动态加载和实例化带有静态标记的GameObject时，这些对象不会被引擎视为静态合批处理的一部分。静态标记仅在场景打包时起作用，而在运行时，若希望对动态实例化的对象进行静态合批，开发者需要手动调用静态合批的相关函数。

3. 合并根节点的空间变换

自动静态合批：其根节点位于场景中，因此无法对其进行空间变换。
手动静态合批：由于根节点是一个游戏对象，可以通过修改其空间属性（位置、旋转、缩放）来实现整体移动。尽管如此，顶点和索引缓冲区的数据不会被修改，渲染时会通过ConstBuffer（UniformBuffer）传入根节点的变换矩阵。

4. Batch ≠ Draw Call

静态合批并不意味着只有一次Draw Call。合并后，每个参与合批的网格信息（如顶点和索引）会被最终确定，不再修改。当某个合并的单位被隐藏或被视锥体剔除时，渲染引擎会拆分成多个Draw Call进行渲染。通过调整每个Draw Call的索引（起始索引和索引个数），引擎可以跳过不需要显示的单位。

多次Draw Call的效率：由于这些Draw Call之间几乎没有渲染状态的切换，效率较高，因此引擎将其统计为一次合批，尽管实际上包含多个Draw Call。

5. 静态合批与大网格的比较

静态合批与直接使用大网格（即直接制作而成的网格）之间存在显著差异，主要体现在以下两个方面：

主动隐藏对象：静态合批允许在运行时通过起始索引等信息区分参与合并的对象，从而实现隐藏特定对象的功能。而直接使用大网格则无法做到这一点，所有顶点都会被渲染。
视锥剔除的参与：静态合批能够有效参与CPU的视锥剔除。当发生剔除时，被送入渲染管线的顶点数量会减少，从而提升GPU的效率。相反，使用大网格时，整个网格都会被送入渲染管线，导致即使摄像机只看到一小部分，仍然会处理所有顶点，造成资源浪费。

6. 性能考虑

尽管静态合批在许多情况下优于大网格，但在某些情况下，子网格数量过多可能会增加CPU的压力。因此，开发者在选择使用静态合批还是大网格时，应根据具体情况进行分析和权衡。

结论

批处理阶段是静态合批技术中至关重要的一部分，涉及到材质设置、动态加载、空间变换、Draw Call的管理以及静态合批与大网格的比较。理解这些概念有助于开发者在游戏开发中做出更有效的性能优化决策。

静态合批的利弊

静态合批是一种通过在预处理阶段合并网格，以空间换时间的策略来提升渲染效率的技术。它在游戏开发中被广泛应用，尤其是在处理大量静态物体时。以下是静态合批的主要优势和弊端。

优势

减少CPU负担：
- 静态合批在打包阶段合并网格，运行时的顶点和索引信息不会发生变化。这意味着CPU不需要消耗额外的算力来维护这些信息，从而提高了整体性能。
降低Draw Call次数：
- 通过将多个相对独立的物体合并为一个网格，静态合批可以通过一次渲染命令同时渲染多个物体。这显著减少了Draw Call的次数，降低了渲染开销。
提高GPU效率：
- 在渲染前进行视锥体剔除，可以有效减少顶点着色器对不可见顶点的处理次数。这意味着GPU只需处理可见的顶点，从而提高了渲染效率。
适用于静态场景：
- 静态合批特别适合那些材质相同、网格不同且在场景中始终保持静止的物体。例如，建筑物、地面等静态元素可以通过静态合批有效提升渲染性能。

弊端

内存占用问题：
- 合批后的网格会常驻内存。在某些场景下，例如森林中的每棵树的网格都相同，如果对它们采用静态合批策略，合批后的网格将等同于“单颗树网格 x 树的数量”。这种情况下，内存消耗可能会非常巨大，导致性能下降。
灵活性不足：
- 静态合批适用于静态物体，但对于动态物体或需要频繁变动的物体，静态合批就不再适用。动态物体需要频繁更新其顶点和索引信息，这与静态合批的设计初衷相悖。
合批限制：
- 静态合批要求参与合并的物体使用相同的材质。如果场景中存在多种材质的物体，静态合批的效果将受到限制，可能无法充分发挥其优势。
调试和维护复杂性：
- 在某些情况下，静态合批可能会增加调试和维护的复杂性。开发者需要确保合批的对象在场景中始终保持静止，并且在合批过程中不会出现材质或网格的意外更改。