如何實現最佳的跨平台遊戲體驗？Unity成亮解密實時渲染技術！

7月31日，2018雲創大會遊戲論壇在杭州國際博覽中心103B圓滿舉行。本場遊戲論壇聚焦探討了可能對遊戲行業發展有重大推動的新技術、新實踐，如AR、區塊鏈、安全、大數據等。

Unity大中華區技術經理成亮表示，實時渲染技術的跨平台性能讓遊戲體驗變得更好

Unity大中華區技術經理成亮做了《解秘Unity2018最新實時渲染技術》的主題演講，分享了2018年Unity在實時渲染方面實現的三個重要技術，包括圖形相關的可編程渲染管線、基於渲染管線推出的Shader Graph、PostProcess工具以及ECS、Burstcom等性能相關技術。

成亮表示，Unity具有完整的生態環境，一直致力於解決圖形、網路以及AR問題，讓越來越多的開發者做出炫酷的遊戲或者動畫。目前，Unity已經開發了大量耳熟能詳的遊戲，還為電影行業、工業、醫療、汽車等領域提供了遠程數據分析、數據追蹤、遠程調試、貨幣化等能力。而這其中，一個關鍵的技術應用就是今年推出的實時渲染相關技術。

Unity實時渲染技術具有強大的跨平台能力，主要包括圖形相關的可編程渲染管線、基於渲染管線推出的工具、以及ECS、Burstcom等性能相關的技術。

成亮介紹到，隨著遊戲種類越來越多，傳統的渲染管線已經越來越難以滿足遊戲功能的需求。而Unity推出的可編程的渲染管線，不僅可以讓用戶自定義渲染流程，而且具有非常好的擴展性，在保留了經典C++內核的前提下提供了更多的介面。可編程渲染管線提供了兩套開源的模板，用戶可以根據需求來實現定製化的功能：

HD（High-Definition）主要針對高端的PC平台，這一類管線提供了更加精確的模型和高級材質，在定製渲染管線時對用戶更為透明，對於燈光的配置也有所增強，能夠幫助用戶實現非常華麗的渲染效果；

? Lightweight主要針對移動模塊和XR平台，讓用戶在兼顧性能的同時可以適配到更多的設備。它採用的Single-Pass Forward Rendering可以支持8盞像素光在一個批次內進行渲染，而且提供了非常便利的材質升級工具。

隨後，成亮還詳細闡述了Unity基於渲染管線所推出的Shader Graph、Progressive Lightmapper和Post-processing v2三個工具：

? Shader Graph是一種節點圖方式，能幫助用戶無需編程即可創作，極大降低了編程門檻；

? 後處理站提供了豐富的效果功能，支持設置不同的區域和靈活可拓展的框架，此外也兼容最新的可渲染管線；

? 漸進烘焙可以方便用戶實時看到烘焙的過程，給用戶的工作流帶來了非常大的便利和效率提升。今年還會推出基於GPU的漸進光照功能，效率將提升10倍以上。

在性能方面，成亮最後提到，Unity推出的一套新系統，可以幫助用戶實現性能上的巨大飛躍。這一系統包括三部分：Job System，幫助用戶利用GPU多核處理能力；ECS，讓數據的內存排列更為緊密，提高緩存的命中率；Burst Compiler，技術優化的編譯器。

以下是成亮演講實錄：

大家好！我是來自Unity的成亮。今天非常高興有這個機會來到杭州，跟大家分享Unity在2018最新的實時渲染技術。

今天主要分享的內容有四點，首先我會對Unity做一個基本介紹，後面則會介紹今年Unity在實時渲染方面比較重要的三個技術：一是圖形相關的可編程渲染管線；二是基於渲染管線推出的工具，包括Shader Graph、PostProcess；三是ECS、Burstcom等性能相關的技術。

首先介紹一下Unity。2014年Unity在丹麥哥本哈根成立，它有三個創始人，他們分別提出了三個公司理念：開發民主化、解決困難問題以及幫助開發者成功。民主化這個概念很好理解，就是降低技術的門檻，讓越來越多的開發者能夠做出很炫酷的遊戲或者動畫。相對應來說，就要求Unity公司解決比較困難的圖形、網路以及AR問題。

Unity具有完整的生態，它有很強的實時渲染引擎，具備強大的跨平台能力，除此之外還提供了遠程數據分析、數據追蹤、遠程調試、貨幣化等能力。截止到2017年統計數據，有200億應用軟體安裝量，有30億移動設備是用Unity軟體安裝的。在排名前1000名的遊戲中有40%是用的Unity，新的製作遊戲超過了50%，還有60%的VR和AR應用是用Unity來開發的。Unity開發了很多耳熟能詳的遊戲，以及在電影行業、工業、醫療、汽車等等領域，也有不少廠商用到Unity來做實時渲染的工具。

下面開始介紹實時渲染相關的技術。首先看一下圖形方面，今年我們最重點推出的技術是可編程渲染管線，相比之前的管線，可編程渲染管線提供了更多渲染的介面給到開發者，你可以按照自己的需求定義你的開發。當然我們為大家準備好了兩個模板：HD（High-Definition）主要針對高端的PC，這個管線提供了更加精確的模型，提供了非常高級的材質，幫助大家能夠實現非常華麗的渲染效果；Lightweight主要針對於移動模塊，讓大家在兼顧性能的同時適配到更多的設備。

這是目前的渲染管線，它可以定製的功能很少，你可以選擇Forward或者Deferred：Forward中物體接受的光照數量決定其渲染批次，當光照數量很多時就會遇到新的問題；Deferred中是在最後應用一次光照，但是Deferred有對硬體的要求，所以在某些移動平台是不支持的。 除此之外，還可以編寫一些Command Buffer，也就是在渲染管線的時間點，比如上圖中綠點的地方，你可以插入自己的渲染。

隨著遊戲種類越來越多，傳統的渲染管線越來越難以滿足遊戲的需求。比如我們看到有非常3D的、光照非常多的遊戲，也有2D的捲軸遊戲，這些遊戲用一條管線很難兼顧到這樣的性能；又比如一個2D的遊戲或者一個FPS遊戲渲染的時候有很多權衡的點，2D根本不需要光照，材質也不用是基於物理的材質......等等。

所以Unity在今年推出了可編程的渲染管線，它可以讓用戶自定義渲染流程，比如你的剪裁或者繪製物體，這些流程都可以按照自己需要進行控制。新的渲染管線有非常好的擴展性，針對原來的渲染管線進行了有效的提升，保留了經典的C++內核，提供了更多的介面，幫助大家儘可能化地定製自己的功能。除此之外還提供了兩套模板，大家可以根據需要去定製功能，而且這兩套功能都是開源的，所以也是給了大家一個非常好的參考。

首先看一下Lightweight，它主要針對移動和XR平台，提供了非常方便的材質升級工具，而且對於一些不需要光照的材質完全兼容，所以升級到這套管線非常方便。它的渲染也和原來有所不同，採用了Single-Pass Forward Rendering，可以支持8盞像素光在一個批次進行渲染。我們之前做了一個Trash Dash實例，它是一個3D遊戲，但實際上沒有利用到光照，所以它利用我們的材質升級工具，就非常容易從原來的管線升級到了現在的管線。

下面看一下High，High功能很多，在這裡就給大家做一個詳細的拆解和介紹。它分成六大塊功能，首先它的渲染管線有一個比較大的改變，渲染管線相對之前採用了新的模型，物理計算會更精確。它在定製渲染管線時對用戶更為透明，用戶只要關注設置的屬性就可以了，而不用關注選擇什麼樣的管線。它主要針對高端的PC平台，對於燈光的配置有增強，光照和陰影方面可以採用色溫來控制光照的顏色。光線形狀也有很多選擇，還增加了新的區域光。材質比較多，提供了非常多的高級材質，供大家選擇。還有基於分層的材質系統，有變形的特效。調試方面，提供了新的可以觀察調試的窗口。

新的管線不用再去選擇配置，用戶根據自己的需求來設置渲染管線就可以了。一是增強了光照配置，能根據色溫來控制顏色，支持更多的形狀，包括錐形、方形或者金字塔形狀，支持光線顏色的效果；二是新增了區域光類型，支持實時區域光，而且區域光形狀包括了橘型、圓形等形狀；三是提供了新的光照模型GGX，在傳統模式下是單顯色模型，粗糙表現顏色不會飽和，而且會帶有發暗的現象；此外還新增了非常多的材質，包括彩虹色加透明漆材質的效果、雙面透明的效果、分層的模型、體積光和光速效果、No Occlusion Probe效果等等。

除此之外，新的管線還新增了調試窗口，在這個窗口中可以看到豐富的信息，包括材質、光照等等。如下所示，這個圖可以看到正在渲染的物體表面的發線，它不光可以在編輯器上面使用，還可以實時連到PC端上進行查看。

在調試窗口支持只顯示某一種光照，比如只顯示慢反射。還支持中間的渲染目標，比如Depht Buffer顯示，左邊只顯示了Diffuse Lightin。

以上給我們展示的是Unity可編程渲染管線所能夠呈現出的實時渲染的效果。下面我們看一下方便大家創作的工具，Shader Graph、Progressive Lightmapper和Post-processing v2。

Shader Graph是一種節點圖的方式，來幫助大家無需再用編程的方式進行創作。它帶來的好處是不用編碼，可能減少了一些語法或者調試的痛苦，降低了大家編程的門檻。

後處理站有非常多可以選擇的效果，可以設置不同的區域，還支持靈活可拓展的框架，因為這也是一個開源的功能，所以大家可以根據需要去看，一方面提供了自定義的API，大家可以自定義，另外也可以看到整個代碼。另外也兼容最新的可渲染管線。

再看一下漸進光照烘焙，實時渲染場景有很多燈光是先靜態烘焙上取得，尤其是像間接光照，都是烘焙上去的，因為如果實時計算肯定來不及，所以通常在做項目的時候有光照烘焙的功能。而漸進烘焙可以實時看到烘焙的過程，而且可以優先看到視圖窗口顯示的效果，這樣給大家工作流就帶來了非常大的便利和提升。除此之外，今年應該還會推出基於GPU的漸進光照功能，這樣光照烘焙效率就會提升10倍以上。

今年在性能上面Unity推出了一套新的系統，可以幫助大家在性能上面有質的飛躍。最新的系統包括三個部分：一是Job System，幫助你利用GPU多核處理能力；二是ECS，能夠讓我們數據的內存排列更緊密，提高緩存的命中率；三是Burst Compiler，是技術優化的編譯器。

如上所示，這是現在的系統。其中會引用到各種各樣的組件，它就是一個引用列表。這樣一來，這些引用類型沒有辦法控制它在內存中的排布，所以它是分散在內存中的，這樣數據分散的結果是導致緩存命中率比較低。還有一個問題，如果單核的情況，一旦任務比較多，它處理的速度就會越來越慢。

Entity Component System中，我們把數據和函數分開，Render包含了數據，通過對數據進行分類處理，再派發給不同的任務進行處理。如下所示，這就是一個結合的架構圖。

來看一個實際的例子，來看它具體提升了多少性能。如下圖顯示，傳統方式下飛船包含了Movemen組件，在這種情況下，同屏渲染了18500個飛船。但是再加入變形，在飛船裡面就沒有了任何的應用。所有的任務都是通過函數來執行的，所以把它Job system變形化之後，性能大概可以提升到25000個，提升了三分之一的性能。

再看ECS With Job system，數據緊密化加上並行化之後，在ESC With Job system情況下，我們從最開始的18000個變成了96000個，性能提高了5倍。再加上Burst Compiler，數量達到了156000個，比最開始的做法性能提升了接近10倍。

以上就是Unity最新的關於實時渲染的技術進展，希望能夠幫助到開發者能夠實現更炫酷的效果，謝謝大家。

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