第5章. 利用 Renderer Shader User Value 进行图形优化

5.1. 前言

从 Unity 6.3 起新增了名为 Renderer Shader User Value（RSUV）的功能。RSUV 是可按 Renderer 组件逐个设置的 32 位整数值，并且可以在着色器中引用。Unity 6000.3.0f1 及以后版本可在 MeshRenderer、SkinnedMeshRenderer 中使用 RSUV，Unity 6000.5.0f1、6000.4.4f1、6000.3.13f1 及以后版本还支持 SpriteRenderer*1、SpriteShapeRenderer、TilemapRenderer。用法很简单：通过 Renderer.SetShaderUserValue() 为渲染器设置 RSUV，在着色器中使用 unity_RendererUserValue 引用即可。

uint value = /* ... */;
meshRenderer.SetShaderUserValue(value);
value = meshRenderer.GetShaderUserValue();

uint value = unity_RendererUserValue;

与本例相同的效果也可以通过材质参数实现。不过，使用 RSUV 后，尤其是在大量绘制的场合，内存分配量和帧率都有可能优于使用材质的做法。本章将说明 RSUV 出现的背景、RSUV 的有效用法，并介绍性能测量结果。

5.1.1. Unity 的大量绘制功能与 RSUV 出现的背景

首先回顾一下为什么需要 RSUV。在 Unity 中同时显示大量对象时的性能一直是令人头疼的问题。大量绘制中的性能问题主要有三点：“切换材质时的 CPU 开销”“DrawCall 增多”“复制材质导致的内存分配”。

切换材质时的 CPU 开销

绘制多个拥有不同材质的对象时，每帧绘制都需要逐个对象收集材质数据并发送到 GPU，此时的 CPU 处理成本很高。SRP Batcher 解决了这一问题：通过将材质数据持久化保存在 GPU 内存中，只要着色器相同，就能以相对较低的成本绘制多个拥有不同材质的对象。

DrawCall 增多

GPU 实例化（GPU Instancing）是将拥有相同着色器、相同网格、相同材质的多个对象用一个 DrawCall 绘制的方法。它的适用条件比 SRP Batcher 更严格，但在绘制大量对象时能发挥比 SRP Batcher 更大的效果。Unity 6 引入了 GPU Resident Drawer，使得即使是使用普通 MeshRenderer 的绘制，只要满足条件也会自动进行 GPU 实例化。

复制材质导致的内存分配

最后一个问题出现在既想利用 SRP Batcher 或 GPU 实例化、又想让材质有所变化的场合。Unity 很早就提供了 MaterialPropertyBlock 功能，可以在不复制材质实例的情况下仅覆盖部分参数，但它与 SRP Batcher 和 GPU Resident Drawer 不兼容。RSUV 解决了这一问题：在利用 SRP Batcher 和 GPU Resident Drawer 的同时，可以不借助材质将每个对象各不相同的 32 位参数传递给着色器。

RSUV 是同时解决上述三个问题所需的最后一块拼图。它可以在用 SRP Batcher 降低材质切换成本、用 GPU Resident Drawer 进行高效 GPU 实例化的同时，按实例绘制出有差异的效果。即使在 GPU Resident Drawer 的自动实例化不生效的情况下，也能享受到避免复制材质实例、从而减少内存消耗的好处。

5.2. 简单用法

下面来看 RSUV 的实际用法。RSUV 在 C# / HLSL 中表示为 32 位整数（uint），因此，例如要传递 32 位颜色（RGBA 4 个 channel 各 8 位）时，需要像下面这样通过位运算进行打包。

Color32 color = /* ... */;
var colorEncoded = (uint)(color.r << 24 | color.g << 16 | color.b << 8 | color.a);
meshRenderer.SetShaderUserValue(colorEncoded);

接下来是着色器侧的实现，这里假定使用 ShaderGraph。ShaderGraph 没有提供获取 RSUV 的专用节点，因此使用 Custom Function 节点，按如下方式设置（图 5.1）并输入代码。

图 5.1: 节点设置

uint rsuv = unity_RendererUserValue;
Value = float4((float)((rsuv >> 24) & 255) * (1.f / 255.f),
                        (float)((rsuv >> 16) & 255) * (1.f / 255.f),
                        (float)((rsuv >> 8) & 255) * (1.f / 255.f),
                        (float)((rsuv >> 0) & 255) * (1.f / 255.f));

连接节点，确认已能接收到 RSUV。

5.3. 性能测量

为了确认 RSUV 在大量绘制的场合能发挥效果，在以下条件下测量了内存分配量和帧率。

• Unity 6000.3.15f1
• URP 17.3
• iPhone 12
• 场景：10000 个 Sphere
• 启用 SRP Batcher
• 比较参数每帧变化与不变化两种情况
• 比较启用与禁用 GPU Resident Drawer 两种情况
• 用三种方法为每个 Sphere 设置不同的着色器参数
  • 每个 Renderer 一个材质：创建 10000 个 Material 并分配
  • RSUV：使用 1 个 Material，按 Renderer 设置 RSUV
  • MaterialPropertyBlock：1 个 Material 加 10000 个 MaterialPropertyBlock（不在 SRP Batcher / GPU Resident Drawer 的适用范围内）

图 5.2: 基准测试画面

首先比较各种参数设置方法的内存分配量（表 5.1）。

由于材质不会被复制，内存分配量自然也大幅减少。接下来看帧率。首先是参数每帧不变化的情况（表 5.2）。

可以看出，RSUV 的性能高于每个 Renderer 一个材质的做法，并且与 GPU Resident Drawer 配合使用时效果更加明显。单独使用 RSUV 就能削减材质切换成本，再加上可以通过 GPU Resident Drawer 进行 GPU 实例化，渲染线程上发出绘制命令的开销也随之减轻。接下来看参数每帧变化的情况（表 5.3）。

与不更新参数的情况相比，每个 Renderer 一个材质的做法性能大幅下降，而 RSUV 几乎没有劣化。修改一个材质参数就需要将整个材质重新上传到 GPU，而 RSUV 是作为每帧、每个 Renderer 都会发送到 GPU 的缓冲区的一部分一起发送的*2，因此更新 RSUV 所产生的额外成本很低。有趣的是，大量更新材质参数与 GPU Resident Drawer 似乎并不合拍，与禁用 GPU Resident Drawer 相比性能反而下降。如上所述，在“参数更新”和“绘制命令发出”两方面，RSUV 都更具优势。尤其是在 RSUV 使 GPU 实例化成为可能的情况下（例如存在大量着色器和网格相同的对象时），RSUV 的效果会显著提升。

5.4. 传递大于 32 位的数据

RSUV 虽然有助于提升性能，但只能传递 32 位以内的值，这是它的一大弱点。下面介绍克服这一限制的技巧。要通过 RSUV 传递 32 位放不下的数据，有效的方法是将目标数据存放在另一个 GraphicsBuffer 中，并把该 GraphicsBuffer 的索引传给 RSUV。这种方法需要额外的 GraphicsBuffer 上传成本，因此可能需要对 GraphicsBuffer 的更新频率和大小有所考虑。

[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
struct VariantGpuData
{
    public Vector4 baseColor;
    public Vector4 surface;
}
private static readonly int VariantBufferId = Shader.PropertyToID("_RsuvVariantBuffer");

// 上传并绑定 GraphicsBuffer
var buffer =  new GraphicsBuffer(GraphicsBuffer.Target.Structured, count, UnsafeUtility.SizeOf<VariantGpuData>());
var cpuBuffer = new VariantGpuData[count];
FillCpuBufferValues(cpuBuffer);
buffer.SetData(cpuBuffer, 0, 0, count);
Shader.SetGlobalBuffer(VariantBufferId, buffer);

// 设置 RSUV
renderer.SetShaderUserValue(index);

// ...

// 不再需要时释放
buffer.Dispose();

struct RsuvVariantRecord
{
    float4 baseColor;
    float4 surface;
};

StructuredBuffer<RsuvVariantRecord> _RsuvVariantBuffer;

// 访问
RsuvVariantRecord record = _RsuvVariantBuffer[unity_RendererUserValue];

5.4.1. 总结

本章介绍了 RSUV 出现的背景、性能测量，以及基本和进阶用法。与材质相比，RSUV 虽然有最多 32 位的限制，但在某些情况下能带来显著的性能改善。请判断 RSUV 能发挥效果的场合，并有效加以利用。