Fill-rate, Canvases and input

柔光的暖阳◎ 2022-06-17 14:17 154阅读 0赞

### 解决填充率问题 ###

有两种方法可以减轻GPU片段管线的压力:  
\* 减少片段shader的复杂度  
\- 更多详细信息，请看“UI Shader和低端设备”部分。  
\* 减少必须被采样的像素点的数量。

由于UI shader 通常是标准化的，最常见的问题就是填充率使用过度问题。这通常是因为UI元素的大量重叠，和许多UI元素占据屏幕的重要部分。这两个问题可能会导致非常严重的过度绘制（overdraw）。

为了减轻填充率的段度使用，减少overdraw，可以考虑下面的一些可能的补救措施。

#### 消除看不见的UI ####

重构UI元素改动做少的方法就是将玩家看不到的元素disable掉。最常见的适合这种方式的情况是打开了一个背景不透明的全屏UI。这种情况下，在全屏UI下的所有元素都应该被disable。  
最简单的方式是disable根GameObjec或者包含不可见元素的GameObject。有关其他的决绝方案，请参阅Disabling Canvas Renderers部分。

#### 禁止看不见的相机输出 ####

如果一个背景不透明的全屏UI被打开，空间相机依旧会在UI下面渲染3D场景。渲染器不知道全屏的UI将会遮盖整个3D场景。  
因此，如果一个全屏UI被打开，关闭所有空间相机，可以通过减少3D世界的无用渲染，来降低GPU的渲染压力。  
注意：如果一个Canvas被设置*“Screen Space - Overlay”*，它的渲染和场景激活的相机数量无关。

#### 大量被遮盖的相机 ####

许多全屏UI不会完全遮盖整个3D场景，而是保持场景的一部分可见。这种情况，最好的办法是将可见的部分渲染到一张render texture中，如果场景的可见部分被缓存到render texture中，那么实际的世界空间相机可以被disable掉，缓存的render texture 可以放到UI屏幕的下面，模拟3D场景。

#### 基于组合的UI ####

使用组合的方式创建UI是设计者经常使用的方式，通过对UI元素和背景组合和分层来创建最终的UI。虽然这样相对来说做很简单，并对迭代很友好，但是由于Unity UI 使用了透明渲染队列（transparent rendering queue），这么做的效率并不高。  
假设有一个简单UI，它有一个背景，一个按钮，按钮上有一些文本。渲染一个在文字内的像素，GPU必须先采样背景图片，再采样按钮的图片，最后才是问题图集的图片，总共进行了3次采样。随着UI复杂度的增加，并且更多的装饰UI被添加到背景上，采样的数量也会不断增加。  
如果一个大的UI被有很高的填充率，解决这个问题的最好方法是创建一些UI sprite，尽可能多的将变化的/不变得UI元素合并到背景图中。这种方式减少遮挡UI元素的数量来实现减少填充率，但这会增加工作量，以及工程中纹理图集的数量。  
一个减少层叠元素的原则是，为给定的UI创建一个特定的sprite，同时这个sprite也可以被子元素使用。假设一个商店UI有一个商品的滚动列表。每一个商品的UI元素包含一个边框，一个背景，和一些显示价格，名字，和其他信息的图标。  
这个商店UI需要一个背景，但是由于商品会在滚动条上滚动，商品元素不能合并到背景中。但是边框，价格，名字和其他商品UI元素可以合并到商品的背景中。根据图标的大小和数量，填充率可以节省很多。  
合并不同层的UI有一些缺点。特定的元素很难被重用，并且需要美术去创建额外的资源。大量的新的纹理会显著的增大UI贴图的内存数量，尤其是UI 贴图没有合理的加载和释放。

#### UI shaders 和 低端设备 ####

Unity UI使用的内置shader支持遮罩，剔除，以及许多其他复杂操作。因为添加这些复杂操作，与Unity 2D shader相比，在一些像iphone一样低端机上，效率可能会低一些。  
如果遮罩，裁剪和一些其他的高级特性在低端设备的程序上不被需要，可以创建一些自定义shader来忽略这些无用的操作，如下面这个精简的着色器：

Shader "UI/Fast-Default"
    {
        Properties
        {
            [PerRendererData] _MainTex ("Sprite Texture", 2D) = "white" {}
            _Color ("Tint", Color) = (1,1,1,1)
        }
    
        SubShader
        {
            Tags
            { 
                "Queue"="Transparent" 
                "IgnoreProjector"="True" 
                "RenderType"="Transparent" 
                "PreviewType"="Plane"
                "CanUseSpriteAtlas"="True"
            }
    
            Cull Off
            Lighting Off
            ZWrite Off
            ZTest [unity_GUIZTestMode]
            Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
    
            Pass
            {
            CGPROGRAM
                #pragma vertex vert
                #pragma fragment frag
    
                #include "UnityCG.cginc"
                #include "UnityUI.cginc"
                
                struct appdata_t
                {
                    float4 vertex   : POSITION;
                    float4 color    : COLOR;
                    float2 texcoord : TEXCOORD0;
                };
    
                struct v2f
                {
                    float4 vertex   : SV_POSITION;
                    fixed4 color    : COLOR;
                    half2 texcoord  : TEXCOORD0;
                    float4 worldPosition : TEXCOORD1;
                };
                
                fixed4 _Color;
                fixed4 _TextureSampleAdd;
                v2f vert(appdata_t IN)
                {
                    v2f OUT;
                    OUT.worldPosition = IN.vertex;
                    OUT.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, OUT.worldPosition);
    
                    OUT.texcoord = IN.texcoord;
                    
                    #ifdef UNITY_HALF_TEXEL_OFFSET
                    OUT.vertex.xy += (_ScreenParams.zw-1.0)*float2(-1,1);
                    #endif
                    
                    OUT.color = IN.color * _Color;
                    return OUT;
                }
    
                sampler2D _MainTex;
                fixed4 frag(v2f IN) : SV_Target
                {
                    return (tex2D(_MainTex, IN.texcoord) + _TextureSampleAdd) * IN.color;
                }
            ENDCG
            }
        }
    }

### Canvas 重建 ###

对于任何UI的显示，UI系统必须为屏幕上的每一个组件创建几何图形。这包括运行动态布局的代码，生成表示UI文本字符的多边形，已经尽可能多的去将几何图合并到一个mesh中来减少drawcall。这是一个多步的过程，在基础部分已经介绍了。  
Canvas的重建会影响性能主要是以下两个原因：

*  如果一个Canvas上有许多可现实的UI元素，那么计算它自身的合批的开销非常大。这是因为排序和分析UI元素的开销与Canvas中可显示元素的数量大于线性增长关系（more-than-linearly ）。
 *  如果一个Canvas频繁的被标记为dirty，那用来刷新它的时间会比那些变化相对较少的Canvas多。  
    随着canvas内的UI元素变多，这两个问题会变得更加严重。

*重要提醒：Canvas上的UI元素在任何时候发生变化时，都会重新制定一次重新合批。*这个过程会重新分析Canvas上的每一个元素，无论它有没有变化。注意，“变化”是指任何可以影响UI部件显示的变化，包括sprite被分配给sprite render, transform的坐标和缩放，文本网格中的文本等。

#### 子级顺序 ####

Unity UI 是从后向前构建，不见在hierarchy 中的顺序就是它的排序顺序。离hierarchy越近的物体，会被挡在后面。合批在hierarchy中从上到下遍历，并收集相同材质和相同贴图并且不包含中间层【1】的所有部件。中间层会强制阻断合批。  
在UnityFrameDebuger部分讨论过，frame debuger可以检测中间层的UI。这种情况是一个可显示的元素插入到两个可合批的元素之间。  
这个问题经常是在文本和sprite离得很近的时候：文本的边框可以显示的覆盖到附近的sprite，因为很多文本的多边形都是透明的。这可以用两种方式解决：

*  对可绘制元素重新排序，使可合并的元素中不会插入不能合批的对象；即把不能合批的元素移动到可合批的对象的前面和后面。
 *  移动object的位置来消除不可见的重叠区域。

这两种操作都可以在Editor下，Frame Debugger开启的情况下进行。简单的通过观察Frame Debugger中的drawcall数量，就可以去找到合适的顺序和位置来最小化因为遮挡而产生的drawcall。

#### 拆分Canvas ####

除了少数情况外，通常拆分Canvas是一个好的方法，可以通过移动元素到子Canvas或者同级的Canvas的方式实现。  
当一部分UI的绘制深度和其他部分不同，绘制在其他层的上面或者下面（如 教程中的箭头）时，使用同级Canvas比较合适。  
其他情况下子Canvas更加方便，因为他们从父级上继承了一些显示的设置。  
看上去分割成很多个子Canvas是一个好方法，但是记住，Canvas系统不会垮Canvas进行合批。高效的UI设计需要平衡最小的重建消耗以及最小的drawcall开销。

#### 一般准则 ####

因为当组成Canvas的组件在任何时候发生变化都会导致Canvas重建，通常将一些重要的（non-trivial）Canvas分成两部分。另外，最好将同时变化的元素放到相同的Canvas上。进度条和倒计时就是这样的例子。它们以来相同的数据，所以它们会在相同时间更新，因为他们应该被放置在相同的Canvas上。  
在一个Canvas上放置所有静态的不会变的元素，如标签和背景，它们只会在第一次显示时合批一次，之后就不需要再重新合批。  
在第二Canvas上，放置所有动态元素 —— 变化很频繁的元素。确保这个Cavnas将重新合批所有dirty的元素。如果动态元素的数量非常多，可以把这些元素再细分为不断变化（如进度条，定时读书器，动画）的集合和偶尔变化的集合。  
这实际比较难操作，尤其是当UI元素被封装到预设中。许多UI选择把Canvas中开销昂贵的组件移动到子Canvas中。

#### Unity 5.2 和 优化合批 ####

Unity 5.2的合批代码实质上是重写的，比起Unity 4.6， 5.0 和 5.1，它有更好的性能表现。另外，在多核的设备上，Unity UI系统将大部分操作移动到工作线程中。Unity 5.2减少了切分大量子canvas的必要。在手机设备上，两道三个Canvas绘制UI界面可以很高效。  
更多关于Unity 5.2的优化的信息可以在这个博客上找到。

### Unity UI 中的输入和射线检测 ###

Unity UI 默认是使用 Graphic Raycaster组件去处理输入事件，如触摸事件，指针悬停（pointer-hover）事件。这通常是有 Standalone Input Manager组件处理。 Standalone Input Manager指的是“万能（universal）”输入管理系统，它会处理点击和触摸事件。

#### 移动端错误的鼠标事件检测（5.3） ####

5.4版本之前，每个active的挂有Graphic Raycaster 的Cavnas会在每一帧检测指针的位置，即使没有可用的点击输入。各个平台都会执行这个操作。IOS和安卓设备即使没有鼠标，依旧会检测鼠标的位置，并且会去查找哪个元素在那个位置下面【2】。  
这是对CPU时间的浪费，它被验证至少会占用Unity应用程序5%的 CPU 帧时间。  
**这个问题在5.4的版本之后被解决了**。5.4版本之后，没有鼠标的设备不会去查询鼠标位置，也不会执行无用的射线检测。  
如果正在使用5.4之前的版本，强烈建议移动端开发者创建一个自定义的Input Manager类。可以简单的复制Unity 标准的Input Manager的代码，然后注释掉ProcessMouseEvent方法和调用它的地方。

### 射线检测优化 ###

Graphic Raycaster是一个相对简单的实现，它遍历所有Raycast Target设置为true的Graphic组件。对每一个Raycast Target，Raycaster 会执行一系列的检测。如果Raycast Target通过所有检测，那它将会被加入到点击列表中。

#### 射线检测的具体细节 ####

检测是：

*  如果Raycast Target是active，enable的，并且是被绘制的（如含有几何体）
 *  如果输入的点落在Raycast Target所在的RectTransform之中。
 *  如果Raycast Target或者它的子级（在任何深度）有ICanvasRaycastFilter组件，并且这个Raycast Filter允许检测。

点击到的Raycast Target列表按照深度排序，过滤反向的对象，确保不被相机渲染的元素（如在屏幕上不可见）被移除掉。  
Graphic Raycaster也可能相3D或者2D物理系统发射射线，如果Graphic Raycaster的*“Blocking Objects”*属性被设置为true。（脚本手册中，属性名称为blockingObjects）  
如果2D或者3Dblocking objects 设置为true，在射线拦截（raycast-blocking）的物理层2D或者3D对象下的Raycast Target，将被从点击列表中移除。  
最后将点击列表返回。

#### 射线检测优化技巧 ####

所有设置了 Raycast Target的Graphic组件都会被Graphic Raycaster检测，最好只将需要接受点击事件的UI组件的 Raycast Target属性设置为true。越少的 Raycast Target，遍历的层级越浅，每一个射线测试将会越快。  
对于包含多个可绘制UI元素的组合UI，它们必须对点击事件有回应，如按钮的背景和文字颜色变化，通常放一个单独的Raycast Target在组合UI的根节点下。当单个的Raycast Target收到点击事件，它可以把时间传递给每个对这个事件感兴趣的组件。

##### Hierarchy 深度和射线过滤 #####

每一次对图形的射线检测都是从当前节点一直遍历到根节点，查找射线过滤器。这种操作的开销与hierarchy中的深度呈正比。在hierarchy中每个Transform挂载的所有组件都需要去检测是否继承ICanvasRaycastFilter，这个操作开销不小。  
这有一些标准的Unity UI组件继承了ICanvasRaycastFilter，如CanvasGroup，Mask，RectMask2D，所以这些便利不能简单的取消。

##### 子Canvas和OverrideSorting属性 #####

子Canvas的overrideSorting属性可以阻止射线检测向上级遍历。如果它的开启不影响排序和点击检测，它可以用来减少层级遍历的开销。