Unity 性能优化 之 编辑器创建资源优化（UGUI | 物理 | 动画）

Unity UI性能的四类问题

1. Canvas Re-batch 时间过长
2. Canvas Over-dirty, Re-batch次数过多
3. UI生成网格顶点时间过长
4. UI Shader中GPU片源着色器的利用率过高 （Fill-rate overutilization）

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Canvas画布

Canvas负责管理UGUI元素，负责UI渲染网格的生成与更新，并向GPU发送DrawCall指令。

Canvas Re-batch过程

1. 根据UI元素深度关系进行排序
2. 检查UI元素的覆盖关系
3. 检查UI元素材质并进行合批

UGUI渲染细节

• UGUI中渲染是在Transparent半透明渲染队列中完成的，半透明队列的绘制顺序是从后往前画，由于UI元素做Alpha Blend,我们在做UI时很难保障每一个像素不被重画，UI的Overdraw太高，这会造成片元着色器利用率过高，造成GPU负担。
• UI SpriteAtlas图集利用率不高的情况下，大量完全透明的像素被采样也会导致像素被重绘，造成片元着色器利用率过高；同时纹理采样器浪费了大量采样在无效的像素上，导致需要采样的图集像素不能尽快的被采样，造成纹理采样器的填充率过低，同样也会带来性能问题。

Re-Build过程

• 在WillRenderCanvases事件调用PerformUpdate::CanvasUpdateRegistry接口
  • 通过ICanvasElement.Rebuild方法重新构建Dirty的Layout组件
  • 通过ClippingRegistry.Cullf方法，任何已注册的裁剪组件Clipping Compnents(Such as Masks)的对象进行裁剪剔除操作
  • 任何Dirty的 Graphics Compnents都会被要求重新生成图形元素
• Layout Rebuild
  • UI元素位置、大小、颜色发生变化
  • 优先计算靠近Root节点，并根据层级深度排序
• Graphic Rebuild
  • 顶点数据被标记成Dirty
  • 材质或贴图数据被标记成Dirty

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UI字体

• 避免字体框重叠，造成合批打断

• 字体网格重建

  • UIText组件发生变化时
  • 父级对象发生变化时
  • UIText组件或其父对象enable/disable时

• TrueTypeFontImporter

  • 支持TTF和OTF字体文件格式导入

动态字体与字体图集

• 运行时，根据UIText组件内容，动态生成字体图集，只会保存当前Actived状态的 UIText控件中的字符
• 不同的字体库维护不同的Texture图集
• 字体Size、大小写、粗体、斜体等各种风格都会保存在不同的字体图集中（有无必要，影响图集利用效率，一些利用不多的特殊字体可以采用图片代替或使用Custom Font，Font Assets Creater创建静态字体资源）
• 当前Font Texture不包含UIText需要显示的字体时，当前Font Texture需要重建
• 如果当前图集太小，系统也会尝试重建，并加入需要使用的字形，文字图集只增不减
• 利用Font.RequestCharacterInTexture可以有效降低启动时间

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UI优化建议

使用Canvas的基本准则

• 将所有可能打断合批的层移到最下边的图层，尽量避免UI元素出现重叠区域
• 可以拆分使用多个同级或嵌套的Canvas来减少Canvas的Rebatch复杂度
• 拆分动态和静态对象放到不同Canvas下。
• 不使用Layout组件
• Canvas的RenderMode尽量Overlay模式，减少Camera调用的开销

UGUI射线（Raycaster）优化

• 必要的需要交互UI组件才开启“Raycast Target”
• 开启“Raycast Targets”的UI组件越少，层级越浅，性能越好
• 对于复杂的控件，尽量在根节点开启“Raycast Target”
• 对于嵌套的Canvas，OverrideSorting属性会打断射线，可以降低层级遍历的成本

UI控件优化注意事项

• 不需要交互的UI元素一定要关闭Raycast Target选项

• 如果是较大的背景图的UI元素建议也要使用Sprite的九宫格拉伸处理，充分减小UI Sprite大小，提高UI Atlas图集利用率

• 对于不可见的UI元素，一定不要使用材质的透明度控制显隐，因为那样UI网格依然在绘制，也不要采用active/deactive UI控件进行显隐，因为那样会带来gc和重建开销

• 使用全屏的UI界面时，要注意隐藏其背后的所有内容，给GPU休息机会。

• 在使用非全屏但模态对话框时，建议使用OnDemandRendering接口，对渲染进行降频。

• 优化裁剪UI Shader，根据实际使用需求移除多余特性关键字。

• 滚动视图Scroll View优化

  • 使用RectMask2d组件裁剪 – 注意不要使用不规则的图形
  • 使用基于位置的对象池作为实例化缓存

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物理

Unity中的物理解决方案

• Box2D (2D默认)
• Nvidia PhysX (3D默认)
• Unity Physics (更精简高效的物理功能子集，专为处理大规模物体和繁多碰撞而设计)
• Havok Physics for Unity (经过大量3A游戏验证、具有更高性能与稳定性的商业物理引擎插件，在2022版本正式加入Unity官方支持的生产管线、能够与Unity自身物理引擎良好协作)。

Unity中的Physics全局配置

• 重点配置
  Layer Collision Matrix；
• 场景物理回调相关：
  Queries Hit Backfaces、Queries Hit Triggers、Contact Pairs Mode、Auto Simulation、Auto Sync Transforms；
• 场景物理需求相关：
  Gravity、Default Contact Offset、Bounce Threshold、Sleep Threshold、Enable Adaptive Force、Enable Enhanced Determinism、Enable Unified Heightmaps；
• 场景物理精度相关：
  Default Solver Iterations、Default Solver Velocity Iterations、Broadphase Type、Friction Type、Solver Type；
• 其他：
  Default Material、World Bounds、Cloth Inter-Collision、Contacts Generation

“总的来说，Sweep and Prune Broadphase 是一种经典的碰撞检测算法，适用于处理大量静态对象；Multibox Pruning Broadphase 是一种改进的算法，更适用于处理动态对象和大量对象；而 Automatic Box Pruning 则是一种自动选择最佳算法的方便选项。”

Unity中的物理组件Trigger与Collider

• Trigger与Collider
  • Trigger对象的碰撞会被物理引擎所忽略，通过OnTriggerEnter/Stay/Exit函数回调
  • Collider对象由物理引擎触发碰撞，通过OnCollisionEnter/Stay/Exit函数回调
  • Trigger对象不需要RigidBody组件，Collider对象必须至少有一个Collider对象有RigidBody组件
  • Trigger对象更高效

Unity中的物理组件Collider部分的优化

• 尽量少使用MeshCollider，可以用简单Collider代替，即使用多个简单Collider组合代替也要比复杂的MeshCollider来的高效
• MeshCollider是基于三角形面的碰撞
• MeshCollider生成的碰撞体网格占用内存也较高
• MeshCollider即使要用也要尽量保障其是静态物体
• 可以通过PlayerSetting选项中勾选Prebake Collision Meshes选项来在构建应用时预先Bake出碰撞网格。

Unity中的物理组件RigidBody部分的优化

• Kinematic与RigidBody
  • Kinematic对象不受物理引擎中力的影响，但可以对其他RigidBody施加物理影响。
  • RigidBody完全由物理引擎模拟来控制，场景中RigidBody数量越多，物理计算负载越高
  • 勾选了Kinematic选项的RigidBody对象会被认为是Kinematic的，不会增加场景中的RigidBody个数
  • 场景中的RigidBody对象越少越好

Unity中的RayCast与Overlap部分的优化

• Unity物理中RayCast与Overlap都有NoAlloc版本的函数，在代码中调用时尽量用NoAlloc版本，这样可以避免不必要的GC开销
• 尽量调用RayCast与Overlap时要指定对象图层进行对象过滤，并且RayCast要还可以指定距离来减少一些太远的对象查询
• 此外如果是大量的RayCast操作还可以通过RaycastCommand的方式批量处理，充分利用JobSystem来分摊到多核多线程计算。

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动画

Animation、Animator、Playable Api

• Animation组件为Legacy动画系统思路，相关文件为Animation Clip。Legacy动画系统对单一轻量动画文件有轻便的实现。
• Animator组件为Mechanim动画系统思路，相关文件为Animator Graph。Mechanim动画系统提供了更强大和灵活的动画控制功能，包括基于状态机的动画过渡、层次动画混合、动画事件等功能。
• Playable API是一套用于控制和管理动画、音频和其他时间相关内容的高级API，相关文件为Playable Asset ( Playable \ Playable Graph )。
  Playable可以是动画片段、音频片段或自定义逻辑片段，它们可以被组合、混合和连接，以创建复杂的交互式时间线；
  通过创建Playable Graph，可以将各种Playable对象连接在一起，构建出整个动画或音频系统的结构。Playable Graph是一个图形化的数据结构，它描述了Playable对象之间的关系和交互方式。

Animation的一些细节

• 播放单个AnimationClip速度，Legacy Animation系统更快，因为老系统是直接采样曲线并直接写入对象Transform
• 针对动画的缩放曲线比位移、旋转曲线开销更大
• 常数曲线不会每帧写入场景，更高效

Animator的一些细节

• 不要使用字符串来查询Animator
• 使用曲线标记来处理动画事件
• 使用Target Marching函数来协助处理动画
• 将Animator的CullingMode设置成Based On Renderers来优化动画，并禁用SkinMesh Renderer的Update When Offscreen属性来让角色不可见时动画不更新

Animator注意事项

• 使用AnimationEvent来处理动画事件；
• 使用Target Marching函数来协助处理动画；
• 在人型动画中，使用Target Marchin的方法能够相对平滑得对目标关节节点进行IK实现。
• 不要使用字符串来查询Animator；
  例如，相对于SetBool(“targetName”,val)的查询赋值方式，更应结合animator.parameters与SetBool(index,val)的方式缓存索引并根据索引赋值。
• 将Animator的Culling Mode设置成Cull Update Transforms或Cull Completely来优化动画，并禁用SkinMesh Renderer的Update When Offscreen属性来让角色不可见时动画不更新。
• Culling Mode影响动画的剔除状态，当动画被剔除时，其上的AnimationEvent不再被调用。
• 选择Cull Update Transforms选项时，当动画对象不在摄像机视野内时，停止更新对象的变换信息，但仍会保持动画的播放状态。这样可以节省一些性能，因为动画对象的变换信息不再被更新，但动画仍会持续播放。
• 选择Cull Completely选项时，动画状态将完全停止，动画回调等亦无法收到。

Internal Animation Update

Animator VS Animation

• Animation可以将任何对象属性制作成Animation Clip, Animator是将Animaiton Clip组织到状态机流程图中使用
• Animation与Animator播放动画时的效率是有个临界点的，这个临界点是根据动画曲线条数来的，当动画曲线条数小于这个临界点时Animation快，当动画曲线条数大于这个临界点时Animator快
• 当Cpu核数较少时，Animation播放动画有优势，当Cpu核数较多时，Animator表现会更好
• Animator Controller Graph中的所有动画节点的Animation Clip都会载入到内存中，当有海量动画状态机节点时，内存开销较大

Playable API VS Animator

Playable API优点

• 支持动态动画混合，可为场景中的对象提供自己的动画，并可以动态添加到PlayableGraph当中使用
• 允许创建播放单个动画，而并不会产生创建和管理AnimatorController资源所涉及的开销，可更加灵活的控制PlayableGraph的数据流，可以插入自定义的AimationJob。
• 可以控制动画文件加载策略，按需加载、异步加载等
• 允许用户动态创建混合图，并直接逐帧控制混合权重（甚至可以混合AniationClip与AnimatorController动画）
• 可以运行时动态创建，根据条件添加可播放节点。而不需要提前提供一套PlayableGraph运行时启动和禁用节点，可以做到自由度更高的override机制
• 可加载自定义配置数据，更加方便的和其他游戏系统整合

Playable API缺点

• 没有直接使用Animator直观
• 混合模式没有现成的，需要自己实现
• 需要开发更多的配套工具
• 有一定学习成本

解决方案选择

• 一些简单、少量曲线动画可以使用Animation或动画区间库如Dotween\iTween等完成，如UI动画，Transform动画等。
• 角色骨骼蒙皮动画如果骨骼较少，Animation Clip资源不多，对动画混合表现要求不高的项目可以采用Legacy Animation。注意控制总体曲线数量
• 一些角色动画要求与逻辑有较高的交互、并且动画资源不多的项目可以直接用Animator Graph完成
• 一些动作游戏，对动画混合要求较高、有一些高级动画效果要求、动画资源量庞大的项目，建议采用Animator+Playable API扩展Timeline的方式完成。

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本文整理自：Metaverse大衍神君《Unity性能优化》