第5章. 運用 Renderer Shader User Value 進行圖形最佳化

5.1. 前言

Unity 6.3 新增了名為 Renderer Shader User Value（RSUV）的功能。RSUV 是可針對每個 Renderer 元件設定的 32 位元整數值，也可以在著色器中參照。Unity 6000.3.0f1 以後，MeshRenderer、SkinnedMeshRenderer 可使用 RSUV；Unity 6000.5.0f1、6000.4.4f1、6000.3.13f1 以後也支援 SpriteRenderer*1、SpriteShapeRenderer、TilemapRenderer。用法很簡單，只要以 Renderer.SetShaderUserValue() 對 Renderer 設定 RSUV，並在著色器中透過 unity_RendererUserValue 參照即可。

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

uint value = unity_RendererUserValue;

此範例的效果同樣可以用材質參數實現。不過使用 RSUV 時，尤其在大量繪製的情境下，記憶體配置量與影格率都有可能比材質更好。本章將說明 RSUV 出現的背景與有效的使用方式，並介紹效能測量結果。

5.1.1. Unity 的大量繪製功能與 RSUV 出現的背景

首先回顧一下為何需要 RSUV。在 Unity 中同時顯示大量物件時的效能一直是令人頭痛的問題。大量繪製的效能問題主要有三點：「切換材質的 CPU 負載」、「DrawCall 增加」、「複製材質造成的記憶體配置」。

切換材質的 CPU 負載

繪製多個持有不同材質的物件時，每次繪製影格都必須逐一收集各物件的材質資料並送往 GPU，此時的 CPU 處理成本很高。SRP Batcher 解決了這個問題，它將材質資料常駐於 GPU 記憶體中，只要著色器相同，就能以相對較低的成本繪製多個持有不同材質的物件。

DrawCall 增加

GPU Instancing 是將多個擁有相同著色器、相同網格、相同材質的物件以一次 DrawCall 繪製的方法。它的適用條件比 SRP Batcher 嚴格，但在繪製大量物件時能發揮超越 SRP Batcher 的效果。Unity 6 推出 GPU Resident Drawer 後，即使是使用一般 MeshRenderer 的繪製，只要符合條件也會自動進行 GPU Instancing。

複製材質造成的記憶體配置

最後一個問題是：想在使用 SRP Batcher 或 GPU Instancing 的同時，也讓材質帶有變化的情境。Unity 很早就有 MaterialPropertyBlock 這項功能，能夠不複製材質實例而只覆寫部分參數，但它與 SRP Batcher 和 GPU Resident Drawer 並不相容。RSUV 解決了這個問題，可以在使用 SRP Batcher 和 GPU Resident Drawer 的同時，不透過材質就將每個物件各自不同的 32 位元參數傳給著色器。

RSUV 是同時解決上述三個問題所需的最後一塊拼圖。既能以 SRP Batcher 壓低切換材質的成本，又能以 GPU Resident Drawer 進行高效率的 GPU Instancing，同時還能讓每個實例呈現不同的繪製變化。即使在 GPU Resident Drawer 的自動 Instancing 無法生效的情況下，也能避免複製材質實例，獲得抑制記憶體消耗的好處。

5.2. 簡單的用法

實際來看 RSUV 的用法。RSUV 在 C# / HLSL 中以 32 位元整數（uint）表示，因此若要傳遞例如 32 位元的顏色（RGBA 4 個 channel 各 8 位元），需如下以位元運算進行打包。

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

接著是著色器端的實作，此處假設使用 ShaderGraph。ShaderGraph 並未提供取得 RSUV 的專用節點，因此使用 Custom Function 節點，依下列方式設定（圖 5.1）並輸入程式碼。

圖 5.1: 節點的設定

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));

連接節點，確認已能接收到 RSUV。

5.3. 效能測量

為了確認 RSUV 在大量繪製的情境下能發揮效果，以下列條件測量了記憶體配置量與影格率。

• Unity 6000.3.15f1
• URP 17.3
• iPhone 12
• 場景：10000 個 Sphere
• 啟用 SRP Batcher
• 比較每影格參數有變化與無變化的情況
• 比較啟用與停用 GPU Resident Drawer 的情況
• 以 3 種方法為每個 Sphere 設定不同的著色器參數
  • 每個 Renderer 一個材質：建立並指派 10000 個 Material
  • RSUV：使用 1 個 Material，為每個 Renderer 設定 RSUV
  • MaterialPropertyBlock：1 個 Material 與 10000 個 MaterialPropertyBlock（不在 SRP Batcher / GPU Resident Drawer 的適用範圍內）

圖 5.2: 基準測試畫面

首先比較各種參數設定方法的記憶體配置量（表 5.1）。

由於不會複製材質，記憶體配置量理所當然地大幅減少。接著來看影格率。首先是每影格參數不變的情況（表 5.2）。

由此可知，RSUV 的效能高於每個 Renderer 一個材質的做法，而且搭配 GPU Resident Drawer 後效果更為明顯。單獨使用 RSUV 即可削減切換材質的成本，再加上能以 GPU Resident Drawer 進行 GPU Instancing，渲染執行緒上發出繪製命令的負載也得以減輕。接著來看每影格參數會變化的情況（表 5.3）。

與沒有參數更新的情況相比，每個 Renderer 一個材質的做法效能大幅下降，而 RSUV 幾乎沒有劣化。變更 1 個材質參數就必須將整個材質重新上傳至 GPU，相對地，RSUV 是作為每影格、每個 Renderer 都一定會送往 GPU 的緩衝區的一部分傳送*2，因此更新 RSUV 所額外產生的成本可以壓得很低。有趣的是，大量更新材質參數與 GPU Resident Drawer 似乎搭配不佳，效能反而比停用 GPU Resident Drawer 時更低。如上所述，可以看出 RSUV 在「參數更新」與「發出繪製命令」兩方面都較為有利。特別是在 RSUV 使 GPU Instancing 成為可能的情況下（例如存在大量著色器與網格相同的物件），RSUV 的效果會大幅提升。

5.4. 傳遞大於 32 位元的資料

RSUV 雖然有助於提升效能，但只能傳遞 32 位元以內的值是它的一大弱點。以下介紹克服此限制的技巧。要用 RSUV 傳遞 32 位元放不下的資料，有效的做法是將目標資料存放在另一個 GraphicsBuffer 中，RSUV 則傳遞該 GraphicsBuffer 中的索引。這個方法會因上傳 GraphicsBuffer 而產生額外成本，因此對 GraphicsBuffer 的更新頻率與大小可能需要有一定的考量。

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

// 上傳並配置 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);

// 設定 RSUV
renderer.SetShaderUserValue(index);

// ...

// 不再需要時釋放
buffer.Dispose();

struct RsuvVariantRecord
{
    float4 baseColor;
    float4 surface;
};

StructuredBuffer<RsuvVariantRecord> _RsuvVariantBuffer;

// 存取
RsuvVariantRecord record = _RsuvVariantBuffer[unity_RendererUserValue];

5.4.1. 總結

本章介紹了 RSUV 出現的背景、效能測量，以及基本與進階的用法。RSUV 與材質相比雖有 32 位元的限制，但視情況能為效能帶來大幅改善。請看清 RSUV 能發揮效果的情境，並善加運用。