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Draw Call优化的一些思考

当Profile游戏应用的帧率瓶颈发生在CPU时，你可能要注意GFX API接口的调用占比，他很可能是低帧率的元凶。 优化DrawCall的方向有两个：

  • 引擎层的Renderer改造
  • 游戏资源的改造

AZDO (Approaching Zero Driver Overhead)

为什么Driver会产生Overhead？

  • 传统的DX11/OGL图形驱动在每个API调用期间都会检查调用参数、资源是否符合逻辑，Validation这部分会消耗一部分时间
  • 为了提高API调用的容错性，GPU/CPU内存分配的时机也存在不确定性
  • GFX Object的绑定操作以及同步也消耗了CPU时间

为了减少上述的开销，GFX API提供了AZDO的接口供开发者使用。

在传统的DX11和OGL接口下，使用提供的Indirect Drawing接口就能实现AZDO的调用。

  • DrawIndexedInstancedIndirect
  • glMultiDrawElementsIndirect

DX11调用

DrawElementsIndirectCommand* commands = ...;
foreach( object )
{
	writeUniformData( object, &uniformData[i] );
	writeDrawCommand( object, &commands[i] );
}
updateCommands(drawArgsBuffer, commands, commandCount);
context->DrawIndexedInstancedIndirect(drawArgsBuffer, 0);

OGL调用

DrawElementsIndirectCommand* commands = ...;
foreach( object )
{
	writeUniformData( object, &uniformData[i] );
	writeDrawCommand( object, &commands[i] );
}
glMultiDrawElementsIndirect(
	GL_TRIANGLES,
	GL_UNSIGNED_SHORT,
	commands,
	commandCount,
	0
)
  • 使用Indirect Draw绘制批次模型，可以减少CPU绘制时间，前提是同批次绘制的模型的渲染状态以及资源绑定类型必须一致。
  • 在资源绑定阶段，针对纹理的绑定可考虑使用TextureArrayObject来减少绑定次数，Buffer直接拷贝即可。
  • 资源绑定的方式也可以使用驱动厂商提供的BindLess接口最优化开销，但会增加代码复杂度。

渲染状态包括Shader、RasterState/DepthStencil/VertexLayout/PrimitiveTopology等。

Shader改造

使用Indirect Draw方法后，针对资源的绑定代码，可以考虑重建绘制ID与资源ID的索引。

传统的Mesh、Texture合并

  • UE4引擎中针对场景中的静态物体也可以通过HLOD系统实现模型的合并来减少DrawCall数目
  • 在Android的字体/UI渲染库同样使用了ATLAS、BatchRendering完成DrawCall的合并

彩虹6号DrawCall优化实践

  • 基于材质的DrawCall分发系统（本质上是分批次渲染）
  • 统一的Buffer定义（方便资源绑定）
    • VertexBuffer
    • IndexBuffer
    • ConstantBuffer
    • StructBuffer表示DrawCall的参数
    • Shader的自动生成允许我们快速验证新的模型
  • DrawCall收集
    • 每一个批次绘制对应一个IndirectDraw的命令

优化结果：

未合批次的DrawCall数目 合批次的DrawCall数目（VIS+GBuffer+贴花） 合批次的DrawCall数目（阴影） 剔除效率提升
10537 412 64 73%

多线程Command Buffer构建提交

如果将Renderer的接口使用迁移至DX12级别的接口（VK/MTL），在驱动的优化下DrawCall的提交效率可以提升十倍，通过GPU命令的并行绑定和提交，最大程度的榨干GPU的机能。

如上图，在3DMark的测试中，在相同时间下，Vulkan和DX12的DrawCall数最多可以达到DX11的13倍，驱动带来的优化比较明显。

  • 即使是在DX12级别的API下，传统的DrawCall优化方法仍有应用的空间。

参考

  1. Approaching Zero Driver Overhead
  2. Rendering Rainbow Six
  3. Android HWUI硬件加速模块浅析