一个好用的 overdraw 分析工具

移动设备的性能瓶颈

谈到性能问题，无非从 CPU/GPU/内存/本地IO/网络IO来入手分析，巧妇难为无米之炊，善用分析工具是基础要求。GC、DrawCall已经被说滥了，Unity自带的Profiler、各类抓帧工具也比较成熟。本文针对 Overdraw 这个容易被忽视、但尤为致命的移动端性能瓶颈，提供一个好用的分析工具。帮助大家快速、准确地定位问题，以及还需要优化多少。再也不需要凭经验口口相传、凭肉眼一次一次查看。

如果没有这个工具，你将一遍又一遍的重复回答这个问题：下面哪一张Overdraw能够在三档机上以60FPS运行，还需要优化多少？

首先揣测一下Overdraw为什么被忽视。 1、PC时代这个问题通常不是瓶颈。人有惯性思维，低估了PC和手机硬件结构差异； 2、这部分损耗没有直接显示在Profiler工具性能报告中（因为难以量化）。

再说下为什么致命。概括来说，手机显存采用共享内存方式，造成显卡填充率受限。而Overdraw和填充率成正比。

首先分享一张现代移动设备的硬件架构图。老手做性能优化的时候，一方面要看各种Profiler，另一方面要结合硬件能力进行思考，不能只依赖现成工具。

可以看到，和PC有显著不同的是，移动设备没有独立显存，只能和其他系统共享带宽。即每次访问 framebuffer 时，都要从拥挤的公共带宽上从内存中取数据。透明图的渲染又是一层一层进行的，因此要一遍一遍的读写 framebuffer，这不就砸蛋了吗。下面是稍微严谨的分析。

填充率的衡量

什么是GPU填充率。

GPU每秒可写入或渲染的像素总数。不同厂家的计算方法不完全相同。

实际能达到这么高的数值吗。

不能。原因已经解释过，硬件架构决定。为什么是这个架构？因为省钱。

填充率估计公式。

填充率 = 总像素数 x Shader复杂度 x Overdraw

Unity 最新的官方文档也介绍了这个公式，并告诉大家一个评估是否填充率受限的方法：

game run faster if you decrease the display resolution? If yes, you are limited by fillrate.

可以发现Overdraw和填充率呈正比。优化总像素数很简单：把输出分辨率调小到1334x750这个级别，剩下交给硬件去做插值到1080p的屏幕上即可。Shader的优化也有明确的目标：减少Pass，减少ALU运算次数。而Overdraw，只能含糊的说越低越好。

下面就来介绍如何实现一个定量分析Overdraw的工具。

更多关于填充率的细节和一些优化技巧见这一节: UGUI渲染机制

编写 overdraw 分析工具

原理

把高精度采样的结果保存到纹理，利用Compute Shader在GPU中并行计算每个像素点被绘制的次数，传回给CPU统计结果。

大致分为四步：

• 采样：每隔 T 秒将视野渲染到单色纹理。
• 计算：纹理传入GPU，使用 Compute Shader 并行计算各像素渲染次数之和。
• 统计：传回 CPU，统计指标。
• 判定：若当前视野超标，输出日志并暂停游戏运行（这里可自由发挥）。

这里简要介绍下 compute shader：

• 用GPU完成非渲染类任务，可以将计算结果传回CPU。
• 可用范围：桌面端 DX11 及以上，shader model 5。移动端ios使用的是 metal API，安卓使用的是vulkan API 或 openGL 4.3。
• 一个普通的桌面GPU可以同时有2万多个线程（比CPU线程轻量）。

细节

下图是涉及到的主要组件。

具体步骤：

• 获取宽高等参数，创建采样相机。
• 创建可读写纹理，格式RFloat 32bit。
• 相机重定向输出到纹理并用自定义shader处理。
• 创建buffer用于存储结果。
• 绑定纹理到compute shader.`
• 绑定buffer到compute shader。
• 划分区块，并行计算。
• 传回结果到c#控制逻辑。

自定义shader只干了一件事：在片元着色阶段，用线性叠加方式，把1024阶采样映射到0~1的区间。

compute shader 里面：一个线程统计一个像素上的次数，32x32的线程组为一个group，有 width/32 * height/32 个group。

Unity C# 如何与 compute shader交互

ComputeBuffer, ComputeShader 类

这里面有相当多的细节。比如采样的数值精度，Rfloat-32是将R通道以32bit浮点数方式存储，有效位是7位，所以这里取1/1024的小数表示时，只保留了7位有效数字。又比如使用内存屏障来同步。又比如参数设置涉及GPU硬件架构，分配多少个线程为一组是一门艺术，需要结合硬件和任务，这里选择 32*32。

总结

通过这种方法，可以定量、无疏漏的排查overdraw问题。并且动态释放的特效也可以被监测到。 下面给出一个简单对比。我们游戏将重绘密度最大值设为5。这个每个项目不同，因为目标机型不同。只要确定一次即可。

粗略比较一下使用该工具前后对效率的提升。

• 时间成本。一个章节的所有关卡，通过人力肉眼检查，10天级别。现在自动运行关卡时检查，10分钟级。
• 准确度。人眼观测结果方差很大，而且难以估计动态特效造成的重绘峰值。现在可以实时、准确的采样，从而定位到问题。
• 修改难度。之前美术同学不知道修改到什么程度才合格，往往要反复修改，经常有挫败感。现在修改时目标明确，可以自测，同时不会因过渡优化而牺牲效果。

本篇就写到这里。compute shader 还可以做很多有意思的事，比如在游戏中用来生成复杂地形，生成漂亮的光照效果。下图是Youtube博主的实验。