Unity性能优化之Draw Call
一、Draw Call的基本概念
（一）Unity画面生成过程
Unity（实际上基本所有图形引擎）生成一帧画面的处理过程可简化描述如下：引擎首先进行简单的可见性测试，确定摄像机能够看到的物体。接着，准备这些物体的相关数据，包括顶点（如本地位置、法线、UV等）、索引（顶点如何组成三角形）、变换（物体的位置、旋转、缩放以及摄像机位置等）、相关光源、纹理和渲染方式（由材质/Shader决定）。之后，引擎通知图形API（可简单看作通知GPU）开始绘制。GPU基于这些数据进行一系列运算，在屏幕上绘制出成千上万的三角形，最终构成一幅图像。
（二）Draw Call的定义
在Unity中，每次引擎准备数据并通知GPU的过程被称为一次Draw Call。这个过程是逐个物体进行的。对于每个物体，不仅GPU的渲染操作耗时，引擎重新设置材质/Shader也是一项非常耗时的操作。因此，每帧的Draw Call次数是一项极其重要的性能指标。对于iOS平台，应尽量将Draw Call次数控制在20次以内，该数值可以在编辑器的Statistic窗口中查看。
从技术角度严格定义，“一个Draw Call，等于呼叫一次DrawIndexedPrimitive (DX) 或 glDrawElements (OGL)，等于一个Batch”。对于熟悉DirectX或OpenGL的开发者来说，对DrawIndexedPrimitive和glDrawElements这两个API一定不陌生。当我们准备好数据（通常为三角面的顶点信息）并要让GPU进行绘制时，就必须调用这些函数。例如，在画面上有一张“木”椅子和一张“铁”桌子，由于这两个物件使用了不同的材质球或者不同的Shader，理论上就会产生两个Draw Call。在DirectX或OpenGL中，对不同物件指定不同贴图或不同Shader的描述，就需要调用两次Draw Call，示例代码如下：
SetShader( “Diffuse” );
SetTexture( “铁” );
DrawPrimitive( DeskVertexBuffer );
SetShader( “VertexLight” );
SetTexture( “木” );
DrawPrimitive( ChairVertexBuffer );
每次对Shader的更改或者贴图的更改，本质上是对Rendering Pipeline的设置进行修改，所以需要不同的Draw Call来完成物件的绘制。这也解释了为什么UNITY官方文件总是建议尽量使用相同的材质球，以减少Draw Call数量。
二、Draw Call对性能的影响
Draw Call数量主要影响的是CPU效能而非GPU。可以将每次的Draw Call看作产生一个Batch，Batch中存储的是物件顶点资料。CPU通过“驱动程序”将顶点资料送往GPU，GPU接手后将物件绘制在画面上。因此，Draw Call越多，CPU就越忙碌。NVIDIA在GDC曾提出，25K batchs/sec会使1GHz的CPU达到100%的使用率，并推出了一条公式来预估游戏中大概可以运行的Batch数量。例如，如果目标是游戏以30FPS运行、使用2GHz的CPU，且将20%的工作量分配给Draw Call，那么每秒可以有333 Batchs/Frame，计算方式为：333 Batchs/Frame = 25K 2 (0.2/30)。
三、Draw Call Batching技术
（一）技术原理
Unity内置了Draw Call Batching技术，其主要目标是在一次Draw Call中批量处理多个物体。只要物体的变换和材质相同，GPU就可以按完全相同的方式进行处理，即可以把它们放在一个Draw Call中。该技术的核心是在可见性测试之后，检查所有要绘制的物体的材质，把相同材质的物体分为一组（一个Batch），然后将它们组合成一个物体（统一变换），这样就可以在一个Draw Call中处理多个物体（实际上是组合后的一个物体）。
（二）技术缺陷
Draw Call Batching存在一个缺陷，它需要把一个Batch中的所有物体组合到一起，相当于创建了一个与这些物体加起来一样大的物体，与此同时需要分配相应大小的内存。这不仅会消耗更多内存，还需要消耗CPU时间。特别是对于移动的物体，每一帧都得重新进行组合，因此需要进行权衡，否则可能得不偿失。但对于静止不动的物体来说，只需要进行一次组合，之后就可以一直使用，效率要高得多。
（三）两种实现方式
Unity提供了Dynamic Batching和Static Batching两种方式：
- Dynamic Batching：完全自动进行，不需要也无法进行任何干预。对于顶点数在300以内的可移动物体，只要使用相同的材质，就会组成Batch。
- Static Batching：需要把静止的物体标记为Static，然后无论物体大小，都会组成Batch。显然，Static Batching比Dynamic Batching要高效得多，但该功能是收费的。
四、有效利用Draw Call Batching的方法
（一）减少材质数量
尽量减少场景中使用的材质数量，即尽量共享材质。对于仅纹理不同的材质，可以把纹理组合到一张更大的纹理中，这种方法称为Texture Atlasing。
（二）标记静止物体
把不会移动的物体标记为Static，以利用Static Batching提高效率。
（三）手动组合物体
可以通过CombineChildren脚本（Standard Assets/Scripts/Unity Scripts/CombineChildren）手动把物体组合在一起。但需要注意的是，这个脚本会影响可见性测试，因为组合在一起的物体始终会被看作一个物体，从而会增加GPU要处理的几何体数量，因此要谨慎使用。
（四）设计遮挡剔除算法
对于复杂的静态场景，还可以考虑自行设计遮挡剔除算法，减少可见的物体数量，同时也可以减少Draw Call。
五、总结
在Unity开发中，理解Draw Call和Draw Call Batching的原理至关重要。开发者需要根据场景特点设计相应的方案来尽量减少Draw Call次数。开发游戏时，可打开Game窗口里的Stats查看Draw Call与Batched的数字。总之，根据实际情况灵活运用各种优化方法，才是提升Unity性能的关键。