UI 渲染批次合并指南

前言

在游戏开发中,Draw call 作为一个非常重要的性能指标,直接影响游戏的整体性能表现。Draw call 就是 CPU 调用图形 API,比如 OpenGL,命令 GPU 进行图形绘制。一次 Draw call 就代表一次图形绘制命令,由于 Draw call 带来的 CPU 及 GPU 的渲染状态切换消耗,往往需要通过批次合并来降低 Draw call 的调用次数。批次合并的本质就是在一帧的渲染过程中,保证连续节点的渲染状态一致,将尽可能多的节点数据合并一次性提交,从而减少绘图指令的调用次数,降低图形 API 调用带来的性能消耗,同时也可以避免 GPU 进行频繁的渲染状态切换。渲染状态就包括:纹理状态,Blend 模式,Stencil 状态,Depth Test 状态等等。

纹理状态

在 Creator 中可编辑的纹理状态包括:纹理的图片资源,纹理的 Filter 模式,纹理的 Premultiply 状态,纹理的 Wrap 模式。如下图所示:

Creator 纹理的可设置参数

为了保证节点使用的纹理图片资源一致,引擎提供两种合图方式,静态合图和动态合图。

静态合图

静态合图即为编辑器提供的自动图集功能,以及其他第三方图集打包工具如:TexturePacker 等。在资源层面进行散图合并,保证UI节点使用的都是同一张贴图,因为同一张图集的纹理状态都是一致的,所以能够达到渲染批次合并对纹理状态的要求。对于 Label 组件,为了保证所有的 Label 节点使用相同的纹理,通常会使用 BMFont 将要使用的 UI 文字提前进行打包,并使用引擎的自动图集与散图一起合并进一张大的纹理,即可与其他相邻的 Sprite 节点进行批次合并。自动图集的创建与设置可以参考 自动图集资源 新建一个自动图集资源配置,然后把所有你希望进行合图的 UI 图片,BMFont 和艺术数字都拖到自动图集资源所在的目录即可。BMFont的文本制作可以通过 BMFont 字体制作工具,将常用的美术字或者文本制作生成一张字体图片及其字体映射文件。然后直接拖入编辑器中即可使用。

静态合图的最佳实践

由于不同平台对纹理尺寸有限制,最大尺寸最好控制在 2048 * 2048 以内。这样以来单个图集的空间有限,同时为了避免 UI 界面打开时图集资源过大导致加载缓慢的问题。通常将单个 UI 界面所使用的图片资源放入一个文件夹为该文件夹创建自动图集,即可保证同一界面使用的纹理图片资源一致。如果静态合图很大,但当前场景实际用到的只是其中很小一部分散图,则也可能造成 浪费,导致游戏加载时间延长和内存占用增多。这种情况下不使用静态合图,由引擎进行动态合图可能是更好的选择。自动图集的预览功能如下图所示:

Auto Atlas 预览

当同一界面的所有节点使用同一图集时,Draw call 最佳时就会为 1。在关闭界面时,可以销毁该界面使用的图集资源,即可保证界面占用的内存空间能够及时释放,达到最优的内存控制,避免出现内存空间过高导致的程序退出。

动态合图

除了前面提到的静态合图空间浪费问题,静态合图的局限性还常常体现在动态文本的渲染过程,如 Label 组件在使用系统文本时,文本贴图是依据文本内容通过 Canvas 绘制动态生成,不能提前进行图集打包。所以,除了静态合图,引擎也提供了动态合图的功能。在运行时,引擎通过将散图添加到动态图集中,来保证节点使用的纹理一致。由于动态图集使用的是默认纹理状态,所以只有当散图的纹理状态与动态图集的状态一致,才可参与到引擎的动态合图中。Label 组件目前提供三种 Cache Mode : NONE, BITMAP, CHAR。 NONE 模式即 Label 的整个文本内容会进行一次绘制,并进行提交,但是并不参与动态合图。BITMAP 模式即 Label 的整个文本内容会进行一次绘制,并加入到动态图集中,以便进行批次合并。CHAR 模式即 Label 会将文本内容进行拆分,单个字符进行绘制,并将字符缓存到一张单独的字符图集中,下次遇到相同字符不再重新绘制。动态合图的说明可以参考 动态合图说明

动态合图的最佳实践

目前引擎的动态图集主要有两种,一种是为散图及使用 BITMAP 模式的文本提供的动态图集,最大数量为 5 张,尺寸为 2048 * 2048。另外一种是为使用 CHAR 模式的文本提供的字符图集,单个场景只有一张,尺寸为 2048 * 2048,这两种动态图集在切换场景时会进行清理释放。由于动态图集空间有限,因此需要最佳化的利用。对于一些不常变化的静态文本,例如 UI 界面的标题,属性栏的固定文本,如果使用系统文本,可以设置为 BITMAP 模式,缓存到动态图集中,这样连续的 UI 节点即可进行动态合批。由于图片一般会打包为静态图集,而为了最大限度的把界面中的 Label 进行合批,可以将界面中的这些静态文本节点层级放在最上层,并保证这些 Label 节点连续即可避免 Label 节点打断批次,同时合并连续的 Label 节点降低 Draw call。对于一些频繁变化的文本,例如游戏中常用的倒计时,如果使用 BITMAP 模式,会导致大量的数值文本占用动态图集空间,但是其使用的字符数量有限,只有数字 0 - 9 这 10 个字符,为了避免频繁绘制,即可设置为 CHAR 模式,进行字符缓存,将单个字符文本添加到字符图集中,这样缓存一次之后,后续所有的数字组合都可以从已缓存的字符中获取,提高性能。如果连续的 Label 节点使用的都是 CHAR 模式,因为使用的是同一张字符图集,所以也可以保证这些节点能够进行批次合并。

Cache Mode 文本图片 最佳实践
NONE 单个 Label 使用一张节点大小的图片 适用频繁更新的不定文本,如:聊天功能
BITMAP 文本修改需要重绘,绘制后添加到大小为 2048 * 2048 的通用动态图集中 适用内容不会改变的静态文本,如:界面标题
CHAR 每个字符绘制一次并添加到大小为 2048 * 2048 的字符图集中 适用频繁更新且文本字符内容有限的文本,如:分数、倒计时

Blend 模式

Creator 编辑器中对部分渲染组件可以进行 Blend Func 的编辑,Src Blend Factor 以及 Dst Blend Factor,分别表示颜色混合时的源颜色和目标颜色的取值模式。颜色混合公式为:

FinalRed = (RS * RFactor) + (RD * RFactor)
FinalGreen = (GS * GFactor) + (GD * GFactor)
FinalBlue = (BS * BFactor) + (BD * BFactor)
FinalAlpha = (AS * AFactor) + (AD * AFactor)
Constant RFactor GFactor BFactor AFactor Description
ZERO 0 0 0 0 将所有颜色乘以 0
ONE 1 1 1 1 将所有颜色乘以 1
SRC_COLOR RS GS BS AS 将所有颜色乘以源颜色
ONE_MINUS_SRC_COLOR 1 - RS 1 - GS 1 - BS 1 - AS 将所有颜色乘以 1 减去源颜色
DST_COLOR RD GD BD AD 将所有颜色乘以目标颜色
ONE_MINUS_DST_COLOR 1 - RD 1 - GD 1 - BD 1 - AD 将所有颜色乘以 1 减去目标颜色
SRC_ALPHA AS AS AS AS 将所有颜色乘以源透明度
ONE_MINUS_SRC_ALPHA 1 - AS 1 - AS 1 - AS 1 - AS 将所有颜色乘以 1 减去源透明度
DST_ALPHA AD AD AD AD 将所有颜色乘以目标透明度
ONE_MINUS_DST_ALPHA 1 - AD 1 - AD 1 - AD 1 - AD 将所有颜色乘以 1 减去目标透明度

某些情况下,透明图片的边缘部分因为采样到透明区域的背景颜色,会出现黑色边缘的现象,通常为了解决该问题,会设置图片的预乘状态,并设置 Src Blend Factor 为 ONE,但是 Blend 模式不一致也会打断批次合并。

Blend 使用的最佳实践

由于 Blend 模式不一致会打断批次合并,所以也应该尽量减少 Blend 模式的改变,比如 PNG 图片的黑边问题,可以在图集打包时进行扩边,而不是用切换 Blend Func 的方式。如果某些表现效果需要特殊的设置,也应该在设定 UI 布局层级时,尽量保证 Blend 模式一致的节点是在同一层级且连续,避免不同 Blend 模式的节点交叉布局,这样即可有效减少 Blend 模式切换导致的 Draw call 增加。

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 Creator 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 组件会带来的 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。

渲染帧调试

在遇到 Draw call 比较高时,不能直接判断是哪些因素导致的批次合并失败,可以通过渲染帧调试的方式,把当前帧所有的渲染指令打印出来,然后再依据具体指令进行问题分享及定位,进一步的优化可以合并的 Draw call。在 Web 端常用的工具例如 Web Inspector,SpectorJs 等,这里以 SpectorJs 为例。SpectorJS 官方下载地址,下载安装 Chrome 插件。

搭建 UI 测试例如下:

UI 测试例

运行预览,我们可以在界面左下角的 Profile 信息中看到具体的 Draw call 数值,该测试例的 Draw call 为 4。

UI 测试例预览

然后我们开启 SpectorJS 打印当前界面的渲染帧,就可以看到每一次 Draw call 调用具体的绘制信息,如下图所示:

UI 测试例渲染帧

通过每一次 drawElements 中间的状态切换,我们即可知道是什么原因导致的不能合批。

注意事项

  1. 由于 Creator 的自动图集功能是在项目导出的时候进行的,所以应该在发布后的项目中进行合批测试。
  2. 在导入 BMFont 的资源的时候,需要把 .fnt 和相应的 png 图片放在同一个目录下面。
  3. LabelAtlas 底层渲染采用的跟 BMFont 一样的机制,所以也可以和 BMFont 及其它 UI 元素一起合图来实现批次渲染。
  4. 微信小游戏平台由于 Image 的内存占用原因,默认禁用了动态图集功能,如果对内存占用要求不高的游戏,可以自行通过 cc.dynamicAtlasManager.enabled = true 打开该功能,并且设置 cc.macro.CLEANUP_IMAGE_CACHE = false 禁止清理 Image 缓存。
  5. 默认 spine 的合批是关闭的,需要勾选 enableBatch 选项开启,spine 必需是同个 spine 资源创建的对象,且每个 spine 只有一种混合模式,一张贴图,才能进行批次合并,Dragonbones 同理。
  6. 单次 Draw call 的 Buffer 数据有限,当数据超过 Buffer 长度限制时,会重新申请新的 Buffer,不同的 Buffer 也会是不同的批次。

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