U3D 渲染技术专题

DrawCall 优化详解

DrawCall 的数量直接影响游戏的渲染性能。每一个 DrawCall 都需要 CPU 去处理，并消耗 GPU 的渲染资源。当 DrawCall 数量过多时，会导致 CPU 和 GPU 的负担加重，进而影响游戏的帧率和流畅度。特别是在移动设备上，由于硬件性能的限制，过多的 DrawCall 更容易导致游戏卡顿和掉帧。

• 静态批处理 (Static Batching)：

  • 所有被静态批处理的物体必须使用相同的材质实例。确保所有物体使用相同的 Shader 设置。确保材质属性（如颜色、纹理、纹理偏移等）一致。
  • 所有被静态批处理的物体必须是不会移动的静态物体。
  • 选中这些物体后，需在 Inspector 面板中勾选Static复选框。
  • Unity 会自动合并这些物体的网格。

  注意

  • 会增加内存使用量（因为存储合并后的网格）。

• 动态批处理 (Dynamic Batching)：

  • 在 Player Settings 中启用动态批处理选项。
  • Unity 自动合并小网格（如移动的碎片、子弹等顶点数少于 900 的网格，移动平台通常为顶点数少于 300）。
  • 要求使用相同材质。确保材质属性（如颜色、纹理、纹理偏移等）一致。确保所有可批处理物体使用完全相同的Shader配置。
  • 适用于移动设备上的小型对象。CPU 需实时合并 Mesh，物体过多时可能卡顿。

  注意

  • 在 Unity 中，动态批处理和 GPU Instancing 是两种不同的优化技术，它们通常是互斥的，当使用动态批处理时，不需要手动关闭 renderer.enableInstancing，因为 Unity 会自动处理它们的优先级。
  • 优先使用 GPU Instancing（适用于大量相同物体，性能更好）。GPU Instancing 适合处理大量相同网格 + 材质（如草、树木），它优先于动态批处理，当启动 GPU Instancing 时动态批处理会自动禁用。

• 材质共享：

  • 尽量让多个对象使用相同的材质。
  • 使用材质属性块 MaterialPropertyBlock 修改材质属性而不创建新材质。比如使用相同的材质而差异化为不同的颜色。

  using UnityEngine;
  
  public class MaterialPropertyBlockColorTest : MonoBehaviour
  {
      public Renderer[] targetRenderers; // 拖入3个物体的Renderer
      public Color[] colors = { Color.red, Color.green, Color.blue };
  
      void Start()
      {
          if (targetRenderers == null || targetRenderers.Length != 3)
          {
              Debug.LogError("请拖入3个Renderer！");
              return;
          }
  
          // 确保所有物体使用相同的材质实例
          Material sharedMaterial = targetRenderers[0].sharedMaterial;
          for (int i = 0; i < targetRenderers.Length; i++)
          {
              targetRenderers[i].sharedMaterial = sharedMaterial; // 强制共享材质
          }
  
          // 用 MaterialPropertyBlock 设置不同颜色
          for (int i = 0; i < targetRenderers.Length; i++)
          {
              MaterialPropertyBlock block = new MaterialPropertyBlock();
              block.SetColor("_BaseColor", colors[i]);
              targetRenderers[i].SetPropertyBlock(block);
              Debug.Log($"物体 {i} 颜色设置为: {colors[i]}");
          }
      }
  }

• 图集/纹理合并 (Texture Atlas)：

  • 将多个小纹理合并为一个大纹理。可以使用 Unity 中的 SpritePacker 工具来实现贴图的合并。然后在代码中引用这个图集。
  • 减少因纹理切换导致的 DrawCall。

  SpriteAtlas atlas = Resources.Load<SpriteAtlas>("PathToAtlas");
  Sprite sprite = atlas.GetSprite("SpriteName");
  Image image = GetComponent<Image>();
  image.sprite = sprite;

• GPU Instancing：

  • 是现代 Unity 合批的主流方案，支持动态变化、属性差异，适合绝大多数中大型项目。默认优先级高于动态批处理，动态批处理只适合非常小的、顶点少的、完全一致的对象。而 GPU Instancing可以（通过 MaterialPropertyBlock）实现材质的差异化属性。
  • GPU Instancing 通过一次发送多个相同网格的渲染数据到 GPU，显著提高了渲染效率，特别适合处理场景中大量使用相同的网格（相同的顶点数据）的对象。例如：森林中的树木和植被、城市建筑群、人群或军队渲染、星空或粒子系统。要求：。
  • 在材质中启用 GPU Instancing 选项。

  // 同一个材质，开启 GPU Instancing
  MaterialPropertyBlock block = new MaterialPropertyBlock();
  block.SetColor("_Color", Color.red);
  renderer.SetPropertyBlock(block); // 不打破 instancing

  #pragma multi_compile_instancing
  UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)
      UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _Color)
  UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)

• LOD (Level of Detail)：

  • 为远距离对象使用简化模型。
  • 减少远处对象的渲染复杂度。
  • 使用 Unity 的 LOD Group 组件。

• 遮挡剔除 (Occlusion Culling):

  • 隐藏被其他物体遮挡的对象。
  • 减少实际渲染的对象数量。
  • 需要在 Window > Rendering > Occlusion Culling 中设置。

• 减少透明物体的数量：

  • 透明物体的渲染比较复杂，需要多次渲染，通常无法被批处理。
  • 合理使用透明效果，避免过度使用。

• 减少动态物体的数量：

  • 动态物体需要每帧重新绘制。
  • 可以通过使用静态物体、使用 LOD（细节层次）等方式来减少动态物体的数量。

• 合并网格：

  • 将多个使用相同材质的网格合并成一个网格。
  • 支持任意 Mesh（静态/动态），可动态合并/拆分，可优化内存（丢弃原 Mesh），可以使用 Unity 中的 Mesh.CombineMeshes 方法来实现网格的合并。

  using UnityEngine;
  
  public class MeshCombineTest : MonoBehaviour
  {
      public MeshFilter[] meshFilters;
  
      void Start()
      {
          if (meshFilters == null || meshFilters.Length == 0)
              return;
  
          // 1. 创建 CombineInstance 数组
          CombineInstance[] combines = new CombineInstance[meshFilters.Length];
          for (int i = 0; i < meshFilters.Length; i++)
          {
              combines[i].mesh = meshFilters[i].sharedMesh;
              // 关键修改：使用 localToWorldMatrix 保留位置/旋转/缩放
              combines[i].transform = meshFilters[i].transform.localToWorldMatrix;
  
              // 2. 禁用原始 MeshRenderer（避免重复渲染）
              MeshRenderer renderer = meshFilters[i].GetComponent<MeshRenderer>();
              if (renderer != null)
                  renderer.enabled = false;
          }
  
          // 3. 创建合并后的 Mesh
          Mesh combinedMesh = new Mesh();
          combinedMesh.CombineMeshes(combines); // 合并所有 Mesh
  
          // 4. 赋值给当前 GameObject
          MeshFilter myFilter = GetComponent<MeshFilter>();
          if (myFilter == null)
              myFilter = gameObject.AddComponent<MeshFilter>();
  
          myFilter.mesh = combinedMesh;
  
          // 5. 确保有 Renderer 并复制第一个材质（简单处理）
          MeshRenderer myRenderer = GetComponent<MeshRenderer>();
          if (myRenderer == null)
              myRenderer = gameObject.AddComponent<MeshRenderer>();
  
          if (meshFilters.Length > 0 && meshFilters[0].GetComponent<MeshRenderer>() != null)
          {
              myRenderer.material = meshFilters[0].GetComponent<MeshRenderer>().sharedMaterial;
          }
      }
  }

• 使用 CanvasRenderer 和 Mask 组件：

  • 在 Unity 的 UGUI 系统中，可以使用 CanvasRenderer 组件来控制 UI 元素的渲染顺序。
  • 使用 Mask 组件可以限制 UI 元素的绘制区域，减少不必要的绘制。

  public class UICanvasRenderer : MonoBehaviour
  {
    private CanvasRenderer canvasRenderer;
    void Start()
    {
      canvasRenderer = GetComponent<CanvasRenderer>();
      canvasRenderer.sortingOrder = 1;
    }
  }
  
  public class UIMask : MonoBehaviour
  {
    public RectTransform maskRect;
    void Start()
    {
      Mask mask = gameObject.AddComponent<Mask>();
      mask.showMaskGraphic = false;
      mask.rectTransform = maskRect;
    }
  }

• 脚本优化:

  • 减少每帧修改渲染属性的操作。
  • 避免频繁激活/禁用渲染器。

渲染相关术语

Drawcall：是 CPU 对底层图形绘制接⼝的调⽤，命令 GPU 执⾏渲染操作，渲染流程采⽤流⽔线实现，CPU 和 GPU 并⾏⼯作，它们之间通过命令缓冲区连接，CPU 向其中发送渲染命令，GPU 接收并执⾏对应的渲染命令。DrawCall 的数量直接影响游戏的渲染性能。

合批：动态合批与静态合批其本质是将多次绘制请求，在条件允许的情况下进行合并处理，减少 CPU 对 GPU 绘制请求的次数，达到提高性能的目的。

动态合批和静态合批细节

动态批处理：如果动态物体共用着相同的材质，那么 Unity 会自动对这些物体进行批处理。动态批处理一切都是自动的，不需要用户做任何操作，而且物体是可以移动的，但是限制很多。

静态批处理：自由度很高，限制很少，但可能会占用更多的内存，而且经过静态批处理后的所有物体都不可以再移动了。

图集：图集是将很多零碎的 2D 小图整合成一张大图，方便 Unity 渲染合批，降低渲染消耗。

Shader：着色器，是一种较为短小的程序片段，告诉图形硬件如何计算和输出图像。简单的说 Shader 就是可编程图形管线的算法片段。主要分为 Vertex Shader (顶点着色器) 和 Fragment Shader (片元着色器)。

渲染管线：也称为渲染流水线。渲染管线（Rendering Pipeline）是计算机图形学中将 3D 场景转换为 2D 图像的过程。它是一系列步骤的集合，负责处理几何数据、光照、纹理等信息，最终生成屏幕上显示的图像。渲染管线是实时图形渲染（如游戏）和离线渲染（如电影特效）的核心。

渲染管线之应用阶段：这个阶段主要在 CPU 中，从 CPU 中整理好渲染数据，并将数据发送给 GPU。

渲染管线之几何阶段：通过对输入的渲染图元进行处理，这一阶段将会输出屏幕空间的二维顶点坐标，深度值等信息并传递给下一阶段。

渲染管线之光栅化阶段：将点线面等几何概念实体化成像素，这一阶段会使用上一阶段传递的数据渲染出最终的图像。

渲染管线阶段划分详细讲解

• 应用阶段（Application Stage）：由 CPU 负责，处理与图形渲染相关的逻辑和数据准备。主要任务：
  • 处理用户输入（如键盘、鼠标）。
  • 更新场景状态（如物体位置、动画）。
  • 准备渲染数据（如模型、材质、光照信息）。
  • 调用图形 API（如 OpenGL、DirectX、Vulkan）将数据传递给 GPU。
• 几何阶段（Geometry Stage）：由 GPU 负责，处理几何数据的变换和计算。主要任务：
  • 顶点着色器（Vertex Shader）：处理每个顶点的位置、法线、纹理坐标等属性；将顶点从模型空间变换到世界空间、视图空间和裁剪空间。
  • 曲面细分（Tessellation）（可选）：细分几何表面，增加细节。
  • 几何着色器（Geometry Shader）（可选）：生成新的几何图元（如点、线、三角形）。
  • 裁剪（Clipping）：剔除不在视锥体（Frustum）内的图元。
  • 屏幕映射（Screen Mapping）：将裁剪空间中的顶点坐标映射到屏幕空间。
• 光栅化阶段（Rasterization Stage）：将几何图元（如三角形）转换为像素（片段）。主要任务：
  • 三角形设置（Triangle Setup）：计算三角形的边和内部像素。
  • 三角形遍历（Triangle Traversal）：确定哪些像素被三角形覆盖。
  • 片段着色器（Fragment Shader）：计算每个像素的颜色、深度、透明度等；处理光照、纹理、阴影等效果。
• 输出合并阶段（Output Merging Stage）：将片段着色器的输出与帧缓冲区（Frame Buffer）中的现有数据合并。主要任务：
  • 模板测试（Stencil Test）：根据模板缓冲区决定是否保留片段。
  • 深度测试（Depth Test）：丢弃被遮挡的片段。
  • 混合（Blending）：将当前片段的颜色与帧缓冲区中的颜色混合（如透明度效果）。
  • 写入帧缓冲区：将最终结果写入帧缓冲区，显示在屏幕上。

空间名称	变换名称	变换矩阵	作用
模型空间	模型变换	模型矩阵	定义模型的几何形状
世界空间	视图变换	视图矩阵	将模型放置在场景中的正确位置
视图空间	投影变换	投影矩阵	将场景转换到相机的视角
裁剪空间	视口变换	视口变换矩阵	将 3D 场景投影到 2D 平面上
屏幕空间	-	-	将投影后的 2D 坐标映射到屏幕上的像素位置

冯光照模型计算公式

Phong 光照模型的总光照公式如下：

$$I_{\text{total}} = I_{\text{ambient}} + I_{\text{diffuse}} + I_{\text{specular}}$$

其中：

• 环境光 (Ambient Light)：

  $$I_{\text{ambient}} = K_a \cdot I_{\text{light}}$$

• 漫反射光 (Diffuse Light)：

  $$I_{\text{diffuse}} = K_d \cdot I_{\text{light}} \cdot (\mathbf{N} \cdot \mathbf{L})$$

• 镜面反射光 (Specular Light)：

  $$I_{\text{specular}} = K_s \cdot I_{\text{light}} \cdot (\mathbf{R} \cdot \mathbf{V})^{n}$$

最终光照公式为：

$$I_{\text{total}} = K_a \cdot I_{\text{light}} + K_d \cdot I_{\text{light}} \cdot (\mathbf{N} \cdot \mathbf{L}) + K_s \cdot I_{\text{light}} \cdot (\mathbf{R} \cdot \mathbf{V})^{n}$$

• $I_{\text{total}}$：表示物体表面的最终光照强度。
• $K_a$、$K_d$、$K_s$：表示环境光系数、漫反射光系数和镜面反射光系数。
• $I_{\text{light}}$：表示光源强度。
• N 和 𝐿：物体表面法线和光源方向的单位向量。
• R 和 V：光源反射方向和观察者方向的单位向量。
• n：高光指数，控制镜面反射的锐利程度。

兰伯特光照模型计算公式

在光照计算中，Diffuse 是指光照与物体表面之间的交互，其中光线在表面上均匀地反射。漫反射光照模型的计算遵循 兰伯特定律，也叫兰伯特光照模型（Lambertian reflection），它的特点是反射的光强度与入射光与表面法线的夹角有关。

Diffuse 光照计算公式如下：

$$I_{\text{diffuse}} = I_{\text{light}} \cdot K_d \cdot (\mathbf{N} \cdot \mathbf{L})$$

• $I_{\text{diffuse}}$ 是漫反射光照强度。
• $I_{\text{light}}$ 是光源的强度或亮度（可能是一个标量或向量，具体取决于光源类型）。
• $K_d$ 是物体表面的漫反射系数（常常是一个颜色值，表示物体表面对光的反射能力，通常介于[0-1]之间）。
• N 是物体表面的单位法向量（normal vector），表示表面的方向。
• L 是从物体表面到光源的单位方向向量（light vector）。
• N⋅L 是法线和光线之间的点积，表示光源方向与表面法线之间的夹角。

U3D 中 PBR 材质用法

• 创建 PBR 材质的基本步骤：
  • 创建 Material ，选中材质，在检视窗口看到默认 PBR 着色器为 Standard Shader。
  • 设置 PBR 参数。
    • Albedo (Base Color)：材质的基础颜色或贴图。
    • Metallic：金属度（0=非金属，1=金属）。
    • Smoothness：光滑度（0=粗糙，1=光滑）。
    • Normal Map：法线贴图（增强表面细节）。
    • Height Map：高度贴图（视差效果）。可选。
    • Occlusion Map：环境光遮蔽贴图（增强阴影）。可选。
    • Emission：自发光（如灯光材质）。可选。
• 使用 PBR 贴图：
  • Albedo（漫反射贴图）。
  • Metallic（金属度贴图）。
  • Smoothness（粗糙度/光滑度）。
  • Normal Map（法线贴图）。
  • Ambient Occlusion (AO)（环境光遮蔽贴图）。
• 使用 HDRP/URP 优化 PBR 渲染：
  • Built-in Render Pipeline（默认）：
    • 使用 Standard Shader，适合传统项目。
    • 调整 Metallic/Smoothness 即可。
  • URP（Universal Render Pipeline）：
    • 使用 Lit Shader（优化版 PBR），支持更多优化（如 GPU Instancing）。
  • HDRP（High Definition Render Pipeline）：
    • 使用 Lit Shader，支持次表面散射、光线追踪等。
• 创建金属 & 非金属 PBR 材质：
  • 金属材质（如黄金）：
    • Albedo: 金色（#FFD700）。
    • Metallic: 1。
    • Smoothness: 0.8（高反射）。
    • Normal Map: 轻微划痕贴图。
  • 非金属材质（如石头）：
    • Albedo: 灰色 + 石纹贴图。
    • Metallic: 0。
    • Smoothness: 0.3（粗糙表面）。
    • Normal Map: 凹凸石纹。
• 其他技巧：
  • 使用 Details Mask Map 混合不同材质（如锈迹金属）。
  • 使用高度贴图，白色表示“凸起”的部分。黑色表示“凹陷”的部分。灰色介于凹凸之间的过渡区域。类似法线贴图，更真实但消耗更多性能。
  • Displacement Map（置换贴图），真正改变顶点位置。

GPU 工作原理

GPU 通过大规模并行架构、专用硬件单元和高效内存管理，实现了图形渲染和通用计算的高性能处理。其核心原理是：

• 并行化：同时处理海量简单任务。
• 流水线化：各阶段无缝衔接，最大化硬件利用率。
• 专用加速：针对图形和计算任务优化硬件设计。

GPU 渲染流水线

• 顶点处理：这阶段 GPU 读取描述 3D 图形外观的顶点数据并根据顶点数据确定 3D 图形的形状及位置关系，建立起 3D 图形的骨架。这些工作由硬件实现的 Vertex Shader 完成。
• 光栅化计算：显示器实际显示的图像是由像素组成的，我们需要将上面生成的图形上的点和线通过一定的算法转换到相应的像素点。把一个矢量图形转换为一系列像素点的过程就称为光栅化。例如，一条数学表示的斜线段，最终被转化成阶梯状的连续像素点。
• 纹理帖图：顶点单元生成的多边形只构成了 3D 物体的轮廓，而纹理映射（Texture Mapping）工作完成对多边形表面的帖图，通俗的说，就是将多边形的表面贴上相应的图片，从而生成"真实"的图形。TMU（Texture Mapping Unit）即是用来完成此项工作。
• 像素处理：这阶段在对每个像素进行光栅化处理，期间 GPU 完成对像素的计算和处理，从而确定每个像素的最终属性。这些工作由硬件实现的 Pixel Shader 完成。
• 最终输出：由 ROP（光栅化引擎）最终完成像素的输出，一帧渲染完毕后，被送到显存帧缓冲区。

Vertex Shader 工作原理

Vertex Shader（顶点着色器）是图形渲染管线中的一个阶段，负责对每个顶点进行处理。它的主要作用是对场景中所有的顶点进行变换、光照计算、纹理坐标的转换等工作，最终生成屏幕上的图形。它是渲染管线中的第一步，通常在 GPU 上执行。顶点着色器的计算过程：

• 模型空间到世界空间的转换：顶点位置通常是在模型空间中定义的。为了将其正确地显示到屏幕上，我们需要将顶点从模型空间转换到世界空间。这个转换是通过模型矩阵（Model Matrix）来实现的。
• 世界空间到视图空间的转换：我们将顶点从世界空间转换到视图空间。这个转换是通过视图矩阵（View Matrix）来实现的。
• 视图空间到裁剪空间的转换：通常这是通过投影矩阵（Projection Matrix）来实现的。这一步涉及透视投影和正交投影。
• 坐标归一化与裁剪：通过将裁剪空间中的坐标除以齐次坐标（$w$分量）进行归一化，使其在标准化设备坐标系（NDC）中表示。此时，顶点已经处于一个标准化设备坐标（NDC）系统中，x、y、z 的范围通常是[-1, 1]，并且可以根据这个坐标将顶点正确地映射到屏幕上。
• 法线和纹理坐标处理：顶点着色器还可以计算每个顶点的法线方向，如果需要的话，将纹理坐标传递给片段着色器。

延迟渲染

我们知道，正向渲染(Forward Rendering)，或称正向着色(Forward Shading)，是渲染物体的一种非常直接的方式，在场景中我们根据所有光源照亮一个物体，之后再渲染下一个物体，以此类推。传统的正向渲染思路是，先进行着色，再进行深度测试。 其主要缺点就是光照计算跟场景复杂度和光源个数有很大关系。假设有 n 个物体， m 个光源，且每个每个物体受所有光源的影响，那么复杂度就是 O(m*n)。

正向渲染简单直接，也很容易实现，但是同时它对程序性能的影响也很大，因为对每一个需要渲染的物体，程序都要对每个光源下每一个需要渲染的片段进行迭代，如果旧的片段完全被一些新的片段覆盖，最终无需显示出来，那么其着色计算花费的时间就完全浪费掉了。

可以将延迟渲染( Deferred Rendering) 理解为先将所有物体都先绘制到**屏幕空间的缓冲区（即 Gbuffer， Geometric Buffer，几何缓冲区）**中，再逐光源对该缓冲区 进行着色的过程，从而避免了因计算被深度测试丢弃的⽚元的着色而产⽣的不必要的开销。也就是说，延迟渲染基本思想是，先执行深度测试，再进行着色计算，将本来在物理空间（三维空间）进行光照计算放到了像素空间（二维空间）进行处理。对应于正向渲染 O(m*n)的 复杂度，经典的延迟渲染复杂度为 O(n+m)。

逐顶点光照和逐像素光照

shader 里如何来体现光照？

光的颜色 * 【baseColor/Diffuse/Albedo】 = 颜色
光的颜色 * 漫反射强度 = 漫反射光的颜色
光的颜色 * 镜面反射的强度 = 镜面反射光的颜色

逐顶点光照：在顶点着色器的时候，计算每个顶点的光照颜色。计算光照次数少，性能好，效果差。
逐像素光照：在片元着色器的时候，baseColor * 插值的光照颜色。计算光照的次数多，性能差，效果好。

MipMap

MipMap（多级渐远纹理）是一种常用的图形技术，特别是在 3D 渲染中，用来优化纹理的加载和显示效果。MipMap 由一系列尺寸逐渐减小的纹理图像组成，这些纹理图像是原始纹理的逐级缩小版本。每一级的图像都会是上一级图像尺寸的一半，直到达到最低的尺寸（通常是 1x1 像素）。

MipMap 是通过为一个纹理生成多个尺寸逐渐减小的版本来工作。例如，假设你有一张 512x512 像素的纹理，那么它的 MipMap 版本可能会包含以下几个级别：
Level 0：512x512
Level 1：256x256
Level 2：128x128
Level 3：64x64
Level 4：32x32
Level 5：16x16
Level 6：8x8
Level 7：4x4
Level 8：2x2
Level 9：1x1

这些不同级别的图像可以在不同的渲染距离和场景条件下使用，以提高性能和视觉质量。

详细内容

• MipMap 的作用：

  • 提高渲染性能：当一个物体离摄像机较远时，不需要渲染细节如此丰富的纹理。使用 MipMap 时，摄像机会根据物体与相机的距离选择合适大小的纹理，这样可以减少 GPU 的负担，提升渲染性能。渲染较小的 MipMap 级别纹理比渲染完整的原始纹理更快，因为它包含的像素较少。
  • 减少纹理采样的模糊效应（纹理闪烁）：在没有 MipMap 时，如果物体距离摄像机远，纹理可能会被采样为过高的分辨率，导致纹理闪烁（Mipmap aliasing）。Mipmap 可以避免这种情况，避免了当物体距离远时出现的纹理不平滑的现象。使用 MipMap 时，近距离使用高分辨率纹理，远距离使用低分辨率纹理，从而在视觉上更加平滑。
  • 减少视觉上的锯齿状效果（莫尔纹理效应）：当纹理被缩小或放大时，会产生不自然的锯齿状边缘或颜色混叠，使用 MipMap 可以减少这种视觉问题。通过选择合适的 MipMap 级别，能够减少放大和缩小纹理时的模糊和失真。
  • 内存优化：MipMap 技术不仅提高了渲染性能，还可以优化显存的使用。在远距离的物体上使用低分辨率的 MipMap 纹理，显著减少显存的消耗。这样可以在渲染大场景时，保持较低的显存占用，同时确保细节在近距离观察时能够得到保留。
  • 改善抗锯齿效果：在动态场景中，物体的距离和角度可能会频繁变化。通过 MipMap，纹理的缩放和选择过程变得更加平滑，从而帮助减少由于纹理变形引起的锯齿状效果。

• MipMap 的生成与使用：

  • 生成 MipMap：在大多数现代图形引擎中（如 Unity、Unreal Engine 等），MipMap 是自动生成的。在导入纹理时，图形引擎会根据原始纹理的大小生成多级缩小的版本。你也可以手动为纹理创建 MipMap，在纹理的设置中启用 Generate Mip Maps（生成 MipMap）选项。
  • 使用 MipMap：MipMap 选择通常是由 GPU 自动处理的。渲染引擎会根据物体到摄像机的距离和纹理的大小来选择最适合的 MipMap 级别。在 Unity 中，你可以在材质的纹理设置中开启 MipMap 的支持，通过设置 Filter Mode 为 Bilinear 或 Trilinear 来选择纹理的过滤方式，进一步平滑纹理过渡。

• 纹理过滤：

  • Bilinear Filtering：适用于简单的两级插值，适合低负载环境，质量较低。
  • Trilinear Filtering：在两级插值的基础上，还考虑了 MipMap 级别之间的过渡，效果较好，适合大多数游戏场景。

• 使用 MipMap 时要注意的事项：

  • 显存消耗：尽管 MipMap 带来许多性能上的好处，但它会增加纹理的存储需求。每个纹理级别都需要占用额外的显存空间。通常 MipMap 会将原始纹理的存储量扩大大约 1.33 倍（具体倍数取决于纹理的尺寸和 MipMap 的数量）。
  • 生成 MipMap 的质量：MipMap 生成的质量对游戏的渲染效果有一定影响。如果使用低质量的纹理生成工具，可能会导致 MipMap 的质量较低，从而影响游戏的视觉效果。
  • 动态纹理：对于动态生成或经常变化的纹理（例如某些实时生成的纹理，或者需要频繁更新的纹理），Mipmap 可能会导致更新时出现一些不必要的纹理切换效果，因此需要谨慎使用。

• 总结：MipMap 是一种纹理优化技术，通过生成多个不同分辨率的纹理版本来优化渲染性能，减少 GPU 负担。
• 作用：
  • 提升渲染性能，特别是在物体远离摄像机时。
  • 减少纹理的模糊和闪烁现象，改善图像质量。
  • 优化内存使用，减少远距离物体的显存占用。
  • 改善纹理过滤效果，减少锯齿和莫尔纹理效应。
• 注意事项：
  • MipMap 会增加纹理的显存占用。
  • 需要选择合适的纹理过滤模式（例如双线性或三线性过滤）来平滑 MipMap 过渡。

光照贴图优点

LightMap：就是指在三维软件里打好光，然后渲染把场景各表面的光照输出到贴图上，最后又通过引擎贴到场景上，这样就使物体有了光照的感觉。优点：

• 使用光照贴图比使用实时光源渲染要快。
• 可以降低游戏内存消耗。
• 多个物体可以使用同一张光照贴图。

Alpha Blend工作原理

Alpha Blend（透明混合）是一种常用于图形渲染中的技术，用于将两个图像或颜色根据透明度（Alpha 通道）进行混合，从而实现半透明效果。它广泛应用于图形和游戏开发中，特别是在处理透明物体（如玻璃、烟雾或人物阴影）时。工作原理如下：

• Alpha 通道：每个像素有一个透明度值，通常用 Alpha 值表示，范围从 0（完全透明）到 1（完全不透明）。
• 混合公式： 当两个图像或像素进行混合时，基于源像素（待渲染的图像）和目标像素（已渲染到屏幕上的内容）的 Alpha 值，计算最终的混合颜色。

计算公式：最终显示颜色  =  源像素透明度 x 源像素颜色 +（1 - 源像素透明度）x 目标像素颜色

• 过程：源图像的透明度决定了它如何与背景图像（目标图像）进行混合。透明度较高的像素（接近 1）对最终的结果贡献较大，透明度较低的像素（接近 0）则更多地显示背景图像。
• 实际应用：
  • 渲染顺序：为了避免混合错误，通常在渲染时，先渲染不透明物体，再渲染透明物体。
  • 透明纹理：用于物体表面时，透明部分（Alpha 为 0）不渲染，而有颜色部分根据 Alpha 值与背景混合。

法线贴图和CG动画

• 法线贴图（Normal Map）：一种纹理贴图，用于模拟物体表面的凹凸细节。一般应用在 CG 动画、美术效果要求较高的单机游戏。
  • 作用：在不增加模型多边形数量的情况下，通过改变光照计算，让表面看起来更复杂、更真实。
  • 原理：存储每个像素点的法线方向（RGB 值对应 XYZ 方向），影响光照反射效果。
• CG 动画（Computer Graphics Animation）：使用计算机图形学技术制作的动画。包括 3D 建模、材质贴图、光照、渲染等步骤，广泛应用于电影、游戏、广告等领域。
  • 优势：可实现高度逼真的视觉效果和复杂的动态场景。比如：哪吒 2。

在 U3d 中，开发者可以编写的 Shader 类型

• Surface Shader：简化的光照和材质处理，适用于常规材质。表面着色器的抽象层次比较高，它可以 以简洁方式 实现复杂的着色器效果。表面着色器可同时正常工作在前向渲染及延迟渲染模式下。它允许开发者定义物体表面的光照模型和材质属性。优点 是自动处理光照、阴影等常见渲染任务。适合大多数常规材质（如金属、塑料、木材等）。表面着色器以 Cg/HLSL 语言进行编写。
• Vertex and Fragment Shader：完全自定义顶点和像素处理，适用于复杂的效果。它是最基础的着色器类型，开发者可以完全控制每个顶点和每个像素的渲染过程。优点 是灵活性高，适合复杂的效果，比如自定义光照模型、后处理效果、特殊渲染等。如果需要一些表面着色器无法处理的酷炫效果，或者编写的 Shader 不需要与灯光进行交互，或是想要的只是全屏图像效果，那么可以使用顶点和片段着色器。这种 Shader 可以非常灵活地实现需要的效果，但是需要编写更多的代码，并且很难与 Unity 的渲染管线完美集成。顶点和片段着色器同样是用 Cg/HLsL 语言来编写。
• Shader Graph：图形化的着色器编程工具，适合艺术家和不熟悉编程的开发者。
• Post-Processing Shader：对渲染结果进行全屏后处理，适用于全屏视觉效果、游戏画面调色、景深、光晕、模糊等后处理效果。
• Compute Shader：用于大规模计算，适合于物理模拟、粒子模拟、图像处理、机器学习等高性能计算场景。
• Tessellation Shader：优点是能够在运行时动态增加模型的细节，提升视觉效果。适合复杂地形、角色模型等需要细分的场景。
• Fixed Function Shader：如果游戏要运行在不支持可编程管线的老旧硬件上，那么需要编写这种 Shader 了。固定管线着色器可以作为片段或表面着色器的备用选择，这在当硬件无法运行那些酷炫 Shader 的时候，还可以通过固定管线着色器来绘制出一些基本内容。固定功能管线着色器完全以 ShaderLab 语言编写，类似于微软的 Effects 或是 Nvidia 的 CgFX。