如何实现最佳的跨平台游戏体验？Unity成亮解密实时渲染

7月31日，2018云创大会游戏论坛在杭州国际博览中心103B圆满举行。本场游戏论坛聚焦探讨了可能对游戏行业发展有重大推动的新技术、新实践，如AR、区块链、安全、大数据等。

 

 

 

 

Unity大中华区技术经理成亮表示，实时渲染技术的跨平台性能让游戏体验变得更好

 

 

 

Unity大中华区技术经理成亮做了《解秘Unity2018最新实时渲染技术》的主题演讲，分享了2018年Unity在实时渲染方面实现的三个重要技术，包括图形相关的可编程渲染管线、基于渲染管线推出的Shader Graph、PostProcess工具以及ECS、Burstcom等性能相关技术。

 

 

 

成亮表示，Unity具有完整的生态环境，一直致力于解决图形、网络以及AR问题，让越来越多的开发者做出炫酷的游戏或者动画。目前，Unity已经开发了大量耳熟能详的游戏，还为电影行业、工业、医疗、汽车等领域提供了远程数据分析、数据追踪、远程调试、货币化等能力。而这其中，一个关键的技术应用就是今年推出的实时渲染相关技术。

 

 

 

Unity实时渲染技术具有强大的跨平台能力，主要包括图形相关的可编程渲染管线、基于渲染管线推出的工具、以及ECS、Burstcom等性能相关的技术。

 

 

 

成亮介绍到，随着游戏种类越来越多，传统的渲染管线已经越来越难以满足游戏功能的需求。而Unity推出的可编程的渲染管线，不仅可以让用户自定义渲染流程，而且具有非常好的扩展性，在保留了经典C++内核的前提下提供了更多的接口。可编程渲染管线提供了两套开源的模板，用户可以根据需求来实现定制化的功能：

 

 

 

HD（High-Definition）主要针对高端的PC平台，这一类管线提供了更加精确的模型和高级材质，在定制渲染管线时对用户更为透明，对于灯光的配置也有所增强，能够帮助用户实现非常华丽的渲染效果；

 

 

 

• Lightweight主要针对移动模块和XR平台，让用户在兼顾性能的同时可以适配到更多的设备。它采用的Single-Pass Forward Rendering可以支持8盏像素光在一个批次内进行渲染，而且提供了非常便利的材质升级工具。

 

 

 

随后，成亮还详细阐述了Unity基于渲染管线所推出的Shader Graph、Progressive Lightmapper和Post-processing v2三个工具：

 

 

 

• Shader Graph是一种节点图方式，能帮助用户无需编程即可创作，极大降低了编程门槛；

 

• 后处理站提供了丰富的效果功能，支持设置不同的区域和灵活可拓展的框架，此外也兼容最新的可渲染管线；

 

• 渐进烘焙可以方便用户实时看到烘焙的过程，给用户的工作流带来了非常大的便利和效率提升。今年还会推出基于GPU的渐进光照功能，效率将提升10倍以上。 

 

 

 

在性能方面，成亮最后提到，Unity推出的一套新系统，可以帮助用户实现性能上的巨大飞跃。这一系统包括三部分：Job System，帮助用户利用GPU多核处理能力；ECS，让数据的内存排列更为紧密，提高缓存的命中率；Burst Compiler，技术优化的编译器。

 

 

 

以下是成亮演讲实录：

 

 

 

大家好！我是来自Unity的成亮。今天非常高兴有这个机会来到杭州，跟大家分享Unity在2018最新的实时渲染技术。

 

 

 

今天主要分享的内容有四点，首先我会对Unity做一个基本介绍，后面则会介绍今年Unity在实时渲染方面比较重要的三个技术：一是图形相关的可编程渲染管线；二是基于渲染管线推出的工具，包括Shader Graph、PostProcess；三是ECS、Burstcom等性能相关的技术。

 

 

 

首先介绍一下Unity。2014年Unity在丹麦哥本哈根成立，它有三个创始人，他们分别提出了三个公司理念：开发民主化、解决困难问题以及帮助开发者成功。民主化这个概念很好理解，就是降低技术的门槛，让越来越多的开发者能够做出很炫酷的游戏或者动画。相对应来说，就要求Unity公司解决比较困难的图形、网络以及AR问题。

 

 

 

Unity具有完整的生态，它有很强的实时渲染引擎，具备强大的跨平台能力，除此之外还提供了远程数据分析、数据追踪、远程调试、货币化等能力。截止到2017年统计数据，有200亿应用软件安装量，有30亿移动设备是用Unity软件安装的。在排名前1000名的游戏中有40%是用的Unity，新的制作游戏超过了50%，还有60%的VR和AR应用是用Unity来开发的。Unity开发了很多耳熟能详的游戏，以及在电影行业、工业、医疗、汽车等等领域，也有不少厂商用到Unity来做实时渲染的工具。

 

 

 

下面开始介绍实时渲染相关的技术。首先看一下图形方面，今年我们最重点推出的技术是可编程渲染管线，相比之前的管线，可编程渲染管线提供了更多渲染的接口给到开发者，你可以按照自己的需求定义你的开发。当然我们为大家准备好了两个模板：HD（High-Definition）主要针对高端的PC，这个管线提供了更加精确的模型，提供了非常高级的材质，帮助大家能够实现非常华丽的渲染效果；Lightweight主要针对于移动模块，让大家在兼顾性能的同时适配到更多的设备。

这是目前的渲染管线，它可以定制的功能很少，你可以选择Forward或者Deferred：Forward中物体接受的光照数量决定其渲染批次，当光照数量很多时就会遇到新的问题；Deferred中是在最后应用一次光照，但是Deferred有对硬件的要求，所以在某些移动平台是不支持的。 除此之外，还可以编写一些Command Buffer，也就是在渲染管线的时间点，比如上图中绿点的地方，你可以插入自己的渲染。

 

 

 

随着游戏种类越来越多，传统的渲染管线越来越难以满足游戏的需求。比如我们看到有非常3D的、光照非常多的游戏，也有2D的卷轴游戏，这些游戏用一条管线很难兼顾到这样的性能；又比如一个2D的游戏或者一个FPS游戏渲染的时候有很多权衡的点，2D根本不需要光照，材质也不用是基于物理的材质......等等。

 

 

 

所以Unity在今年推出了可编程的渲染管线，它可以让用户自定义渲染流程，比如你的剪裁或者绘制物体，这些流程都可以按照自己需要进行控制。新的渲染管线有非常好的扩展性，针对原来的渲染管线进行了有效的提升，保留了经典的C++内核，提供了更多的接口，帮助大家尽可能化地定制自己的功能。除此之外还提供了两套模板，大家可以根据需要去定制功能，而且这两套功能都是开源的，所以也是给了大家一个非常好的参考。

 

 

 

首先看一下Lightweight，它主要针对移动和XR平台，提供了非常方便的材质升级工具，而且对于一些不需要光照的材质完全兼容，所以升级到这套管线非常方便。它的渲染也和原来有所不同，采用了Single-Pass Forward Rendering，可以支持8盏像素光在一个批次进行渲染。我们之前做了一个Trash Dash实例，它是一个3D游戏，但实际上没有利用到光照，所以它利用我们的材质升级工具，就非常容易从原来的管线升级到了现在的管线。

 

 

 

下面看一下High，High功能很多，在这里就给大家做一个详细的拆解和介绍。它分成六大块功能，首先它的渲染管线有一个比较大的改变，渲染管线相对之前采用了新的模型，物理计算会更精确。它在定制渲染管线时对用户更为透明，用户只要关注设置的属性就可以了，而不用关注选择什么样的管线。它主要针对高端的PC平台，对于灯光的配置有增强，光照和阴影方面可以采用色温来控制光照的颜色。光线形状也有很多选择，还增加了新的区域光。材质比较多，提供了非常多的高级材质，供大家选择。还有基于分层的材质系统，有变形的特效。调试方面，提供了新的可以观察调试的窗口。

 

 

 

新的管线不用再去选择配置，用户根据自己的需求来设置渲染管线就可以了。一是增强了光照配置，能根据色温来控制颜色，支持更多的形状，包括锥形、方形或者金字塔形状，支持光线颜色的效果；二是新增了区域光类型，支持实时区域光，而且区域光形状包括了橘型、圆形等形状；三是提供了新的光照模型GGX，在传统模式下是单显色模型，粗糙表现颜色不会饱和，而且会带有发暗的现象；此外还新增了非常多的材质，包括彩虹色加透明漆材质的效果、双面透明的效果、分层的模型、体积光和光速效果、No Occlusion Probe效果等等。

 

 

 

除此之外，新的管线还新增了调试窗口，在这个窗口中可以看到丰富的信息，包括材质、光照等等。如下所示，这个图可以看到正在渲染的物体表面的发线，它不光可以在编辑器上面使用，还可以实时连到PC端上进行查看。

在调试窗口支持只显示某一种光照，比如只显示慢反射。还支持中间的渲染目标，比如Depht Buffer显示，左边只显示了Diffuse Lightin。

 

 

 

 

以上给我们展示的是Unity可编程渲染管线所能够呈现出的实时渲染的效果。下面我们看一下方便大家创作的工具，Shader Graph、Progressive Lightmapper和Post-processing v2。

 

 

 

Shader Graph是一种节点图的方式，来帮助大家无需再用编程的方式进行创作。它带来的好处是不用编码，可能减少了一些语法或者调试的痛苦，降低了大家编程的门槛。

 

 

 

后处理站有非常多可以选择的效果，可以设置不同的区域，还支持灵活可拓展的框架，因为这也是一个开源的功能，所以大家可以根据需要去看，一方面提供了自定义的API，大家可以自定义，另外也可以看到整个代码。另外也兼容最新的可渲染管线。

 

 

 

再看一下渐进光照烘焙，实时渲染场景有很多灯光是先静态烘焙上取得，尤其是像间接光照，都是烘焙上去的，因为如果实时计算肯定来不及，所以通常在做项目的时候有光照烘焙的功能。而渐进烘焙可以实时看到烘焙的过程，而且可以优先看到视图窗口显示的效果，这样给大家工作流就带来了非常大的便利和提升。除此之外，今年应该还会推出基于GPU的渐进光照功能，这样光照烘焙效率就会提升10倍以上。    

 

 

 

今年在性能上面Unity推出了一套新的系统，可以帮助大家在性能上面有质的飞跃。最新的系统包括三个部分：一是Job System，帮助你利用GPU多核处理能力；二是ECS，能够让我们数据的内存排列更紧密，提高缓存的命中率；三是Burst Compiler，是技术优化的编译器。

 

 

如上所示，这是现在的系统。其中会引用到各种各样的组件，它就是一个引用列表。这样一来，这些引用类型没有办法控制它在内存中的排布，所以它是分散在内存中的，这样数据分散的结果是导致缓存命中率比较低。还有一个问题，如果单核的情况，一旦任务比较多，它处理的速度就会越来越慢。

 

 

 

Entity Component System中，我们把数据和函数分开，Render包含了数据，通过对数据进行分类处理，再派发给不同的任务进行处理。如下所示，这就是一个结合的架构图。

 

 

来看一个实际的例子，来看它具体提升了多少性能。如下图显示，传统方式下飞船包含了Movemen组件，在这种情况下，同屏渲染了18500个飞船。但是再加入变形，在飞船里面就没有了任何的应用。所有的任务都是通过函数来执行的，所以把它Job system变形化之后，性能大概可以提升到25000个，提升了三分之一的性能。

 

 

 

 

再看ECS With Job system，数据紧密化加上并行化之后，在ESC With Job system情况下，我们从最开始的18000个变成了96000个，性能提高了5倍。再加上Burst Compiler，数量达到了156000个，比最开始的做法性能提升了接近10倍。

 

 

 

以上就是Unity最新的关于实时渲染的技术进展，希望能够帮助到开发者能够实现更炫酷的效果，谢谢大家。

 

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