Shader变体收集与打包

Shader变体收集与打包

Shader变体收集与打包

作者:小明









基础知识

什么是ShaderVariant

  在写shader时,往往会在shader中定义多个宏,并在shader代码中控制开启宏或关闭宏时物体的渲染过程。最终编译的时候也是根据这些不同的宏来编译生成多种组合形式的shader源码。其中每一种组合就是这个shader的一个变体(Variant)。

Material ShaderKeywords与ShaderVariant

  Material所包含的Shader Keywords表示启用shader中对应的宏,Unity会调用当前宏组合所对应的变体来为Material进行渲染。

  在Editor下,可以通过将material的inspector调成Debug模式来查看当前material定义的Keywords,也可在此模式下直接定义Keywords,用空格分隔Keyword。如图1



图1:设置keyword

  在程序中,可用Material.EnableKeyword()、Material.DisableKeyword()、Shader.EnableKeyword()、Shader.DisableKeyword()来启用/禁用相应的宏。

  Enable函数应与Disable函数相对应。若一个宏由Material.EnableKeyword()开启,则应由Material.DisableKeyword()关闭,Shader.DisableKeyword()无法关闭这个宏。Material中定义的Keywords由Material的函数进行设置。

multi_compile与shader_feature

  multi_compile与shader_feature可在shader中定义宏。两者区别如下图所示:

multi_compileshader_feature定义方式#pragma multi_compile A#pragma shader_feature A宏的适用范围所有Shader所有Shader变体的生成生成所有的变体可自定义生成何种变体默认定义的宏默认定义首个宏默认定义首个宏(只有一个宏定义时默认为nokeyword)

1. 定义方式

  定义方式中值得注意的是,#pragma shader_feature A其实是 #pragma shader_feature _ A的简写,下划线表示未定义宏(nokeyword)。因此此时shader其实对应了两个变体,一个是nokeyword,一个是定义了宏A的。

  而#pragma multi_compile A并不存在简写这一说,所以shader此时只对应A这个变体。若要表示未定义任何变体,则应写为 #pragma multi_compile __ A。

2. 宏的适用范围

  两种定义方式可以使用在任何shader中,只是各自有一些建议使用情况。

  multi_compile定义的宏,如#pragma multi_compile_fog,#pragma multi_compile_fwdbase等,基本上适用于大部分shader,与shader自身所带的属性无关。

  shader_feature定义的宏多用于针对shader自身的属性。比如shader中有_NormalMap这个属性(Property),便可通过#pragma shader_feature _NormalMap来定义宏,用来实现这个shader在material有无_NormalMap时可进行不同的处理。

3. 变体的生成

  multi_compile会默认生成所有的变体,因此应当谨慎适用multi_compile,否则将会导致变体数量激增。如: #pragma multi_compile A B C #pragma multi_compile D E

  则此时会生成 A D、A E、B D、B E、C D、C E这6中变体。

  shader_feature要生成何种变体可用shader variant collection进行自定义设置。

4. 默认定义的宏

  当material中的keywords无法对应shader所生成的变体时,Unity便会默认定义宏定义语句中的首个宏,并运行相应的变体来为这个material进行渲染。

  multi_compile与shader_feature都默认定义首个宏,如下表所示:

宏定义语句默认定义的宏#pragma shader_feature Anokeyword(存在简写问题)#pragma shader_feature A B CA#pragma multi_compile AA#pragma multi_compile A B CA

如何控制项目中Shader变体的生成

  项目中shader变体的生成方式主要有三种,其优缺点如下图所示:

生成方式优点缺点shader与material打在一个包中变体根据material中的keywords自动生成1. 多个不同的material包中可能存在相同的shader变体,造成资源冗余.

2.若在程序运行时动态改变material的keyword,使用shader_feature定义的宏,其变体可能并没有被生成Shader单独打包,使用multi_compile定义全部宏全部变体都被生成,不会发生需要的变体未生成的情况1.生成的变体数量庞大,严重浪费资源Shader单独打包,shader_feature(需要使用ShaderVariantCollection生成变体)与multi_compile(还是会生成所有变体)结合使用能够有效控制shader_feature变体数量1.如何确定哪些变体需要生成

2.容易遗漏需要生成的变体,特别是需要动态替换的变体

  而我们希望的结果是在保证渲染效果正确的情况下,要尽可能的控制项目中shader的变体数量,避免产生冗余资源。幸运的是,Unity已经为我们准备好了解决方案:ShaderVariantCollection

使用shader_feature的解决方案:ShaderVariantCollection

ShaderVariantCollection介绍

  Shader Variant Collection的其中一个作用就是用来记录shader中使用shader_feature定义的宏产生的变体。能够设置生成何种变体,从而避免生成不必要的变体;shader不必和material打在一个包中,避免了多个包中存在相同的变体资源;明确直观的显示了哪些变体是需要生成的。

  在Unity中可以通过Create->Shader-> Shader Variant Collection,就可以新建一个shader variant collection文件,shader variant collection 的使用如图2所示:



图2

  点击增加变体后,会出现变体选择窗口,如图3



图3

  配置好需要生成的变体后,将collection与shader打在同一个包中,便能准确生成面板中所配置的shader变体

ShaderVariantCollection生成通过shader_feature定义的变体规则

  除了在collection中配置的变体会被生成外,Unity还在后台为我们多生成了几个变体,这几个变体是“隐藏的”,并未在collection面板中显示。

1. 必定生成首个宏定义开启所对应的变体。

  Shader中通过#pragma shader_feature A定义了宏A,并在collection中加入了宏A所对应的变体,如图4所示:



图4

  此时生成的变体除了collection中已经存在的ForwardBase A外,还会生成变体ForwardBase nokeyword。因为只定义单个宏时,A 为 _ A的简写。实际上首个被定义的宏为nokeyword,故 nokeyword所对应的变体必定会被生成。

  同理,以 #pragma shader_feature A B C来定义宏时,即使collection中未添加变体Forward A,这个变体也必定会被生成(当shader的PassType仅有ForwardBase)。

2.Shader中有多个Pass时变体的生成规则

  a.读取ShaderVariantCollection中已存在的变体,获取它们的Keywords。

  b. 将这些Keywords分别与每个Pass的多组Keywords列表求交集,取交集中Keywords数量最多得那组。

  c. 用得到的Keywords与对应的PassType生成ShaderVariant,并添加到ShaderVariantCollection中。

  d. 若得到得交集中有新的Keywords,则回到b。 上述过程类似递归。例如: Shader 中有 ForwardBase、ForwardAdd、Normal 三种PassType(以下为了方便简称Base、Add、 Normal)。定义的宏如下:

BaseAddNormal#pragma shader_feature A

#pragma shader_feature B

#pragma shader_feature C#pragma shader_feature A

#pragma shader_feature E#pragma shader_feature A

#pragma shader_feature B

#pragma shader_feature E

  此时若ShaderVariantCollection中包含的变体是 Base ABC,Add AE。则此时生成的变体为:这三种PassType的默认定义的宏(nokeyword)所对应的变体(3个)以及原先直接包含的Base ABC、Add AE。除此之外Unity还会额外生成Add A、Base A、Normal A、Normal AB、 Base AB、Normal AE这6个变体。

ABC ∩ Add AE -> Add A (A is NewKeyword)
  A ∩ Base ABC -> Base A
  A ∩ Normal ABE -> Normal A
ABC ∩ Normal ABE -> Normal AB (AB is NewKeyword)
 AB ∩ Base ABC -> Base AB
 AE ∩ Normal ABE -> Normal AE

变体的调用规则

  当collection将变体准确生成后,便能在运行时通过修改material中的keywords来实现对不同变体的调用。

  假设某collection生成的变体只有Forward ABC,Forward ABE,Forward nokeyword这三种,则此时调用关系如下:

Material中的Keywords调用的变体解释A B CForward A B C正常匹配A BForward nokeyword没有匹配的变体,调用首个被定义的宏 所对应的变体A B C DForward A B C调用交集中keyword数量多的变体

ABCD ∩ ABC = ABC

ABCD ∩ ABE = ABA B C EForward A B C交集中keyword数量相同,在collection中谁在前就调用谁A B E CForward A B C与在material中的定义顺序无关



图5
以上均为根据测试结果总结归纳出来的规则,若有错误之处还请严加指正!

shader_feature方案项目具体实现方式

项目中变体的添加

  那么项目中是如何确定哪些变体是需要加到collection中的呢?我们的做法是:

  a. 遍历每一个Material,提取其shader keywords。

  b. 将获得的keywords与shader的每个PassType所包含的宏定义做交集,并将其结果添加到collection中。

  举个简单的例子:

  Material中的Keywords为A B C D,则shader的PassType、PassType中所定义的宏、需要往collection中添加的变体则如下表所示:

PassType定义的宏需要往collection中添加的变体ForwardBase#pragma shader_feature A

#pragma shader_feature BForward A B

(ABCD ∩ AB = AB)ForwardAdd#pragma shader_feature _ C DAdd C

(ABCD ∩ C = C,ABCD ∩ D = D,但C的定义在D前,故只添加C)Normal#pragma shader_feature _ E FNormal NoKeyword

(ABCD ∩ E = NoKeyword)

(ABCD ∩ F = NoKeyword)

  需要说明的是,我们自己的代码里为了降低变体生成逻辑的复杂度、保持collection面板上变体的直观性,不将Unity为我们额外生成的那几个变体添加到collection面板中,但要记得Unity是会为我们生成额外的变体的。

Shader编写规范

1.建议使用shader_feature时将定义语句写成完整模式,并且不要在一个语句中定义多个宏。

  完整模式:#pragma shader_feature _ A,不建议写成#pragma shader_feature A。

  不建议在一个语句中定义多个宏,如: #pragma shader_feature _ A B C,若一定要定义多个宏,请务必将其写成完整模式,不使用完整模式在切换shader时可能会与想要的效果不一致,具体原因尚未测得。

2.若在shader中使用shader_feature,请为这个shader指定一个CustomEditor

  每个使用shader_feature来定义Keyword的shader都需要再末尾加个 CusomEditor “xxxx”,并在代码中实现类xxxx(需继承自UnityEditor.ShaderGUI),用来对Keywords定义进行设定。

  这么做是因为Material中的部分Keyword是由shader中的属性(Properties)所控制的。比如shader中含有_NormalMap的属性并且定义了与_NormalMap相关的Keyword,这个Keyword需要在Material含有NormalMap时添加,不含NormalMap时移除。这个功能可由自定义的CustomEidtor实现。

  具体如何写这个CustomEditor类可参考Unity builtin_shaders\Editor\StandardShaderGUI.cs。该文件可去Unity官网下载,下载时选择内置着色器即可。如图6


图6

其他减少变体数量的方案&注意事项

1.内存中ShaderLab的大小和变体成正比关系。从减少内存方面应该尽量减少变体数量,可以使用 #pragma skip_variants

2.在使用ShaderVariantCollection收集变体打包时,只对shader_feature定义的宏有意义,multi_compile的变体不用收集也会被全部打进包体

3.2018.2新功能OnProcessShader可以移除无用的shader变体。比#pragma skip_variants更合理

4.项目前期介入美术效果制作流程,规范shader宏定义使用,防止TA为了美术效果过度使用宏定义的情况,以过往项目经验来看,到后期进行此项工作导致的资源浪费非常之大

5.ShaderLab在相关shader加入内存时就已经产生,但如果没有被渲染的话不会触发CreateGPUProgram操作,如果提前在ShaderVariantCollection中收集了相关变体并执行了warmup的话,第一次渲染时就不会再CreateGPUProgram,对卡顿会有一定好处

编辑于 2019-06-12