优化Sonic Dream Team以在Apple Arcade设备上达到fps目标

Sonic Dream Team 是由 Hardlight 开发并由 SEGA 发布的平台游戏。该游戏是 Sonic the Hedgehog 系列的一部分，索尼克和他的朋友们在邪恶的蛋头博士扭曲的梦境中飞速前进，以阻止他对世界统治的追求。

Apple Arcade 要求工作室在所有支持的设备上达到相同的性能目标，这给团队带来了更大的压力，以优化游戏，使其在从 iPhone 6s Plus 到 iPhone 16 的所有设备上看起来都很出色。以下是他们如何在低端和高端设备上达到所需的帧率。

Sonic Dream Team：Unity 案例分析。

团队如何优化以在低端和高端设备上达到所需的帧率？

在与刺猬相处了10年后，Hardlight希望通过增强故事情节、涉及更多角色，并将动作和冒险风格与高保真视觉效果相结合，来迎接新的挑战——这些视觉效果在所有设备的全范围上看起来都很棒，Apple Arcade游戏可以在这些设备上玩。在朝着这些目标努力的过程中，团队遇到了与 CPU 和 GPU 相关的性能问题，这促使他们继续优化。

结果

在中高性能设备上将 CPU 帧时间从 52 毫秒减少到 16 毫秒。

将iOS上的构建大小从4 GB减半至2 GB

将着色器变体运行时内存从1 GB+减少到100 MB以下

解决渲染问题

为了分析性能，团队利用了Unity提供的各种分析工具，特别是Profiler、Frame Debugger和Memory Profiler。这些工具帮助团队更好地理解问题的来源，以在设备上达到30 fps和60 fps。

渲染占用了总帧时间预算的很大一部分，尤其是在低端设备上。团队依赖SRP批处理来帮助减少这部分成本。

“我们选择了通用渲染管线（URP），因为它现代的渲染方法以及Unity对其未来的持续支持，”Hardlight的技术艺术家Fraser Hutchison说。团队优先考虑SRP批处理和Shader Graph等功能，以便在移动设备上推动他们的视觉效果。“SRP批处理为我们做了很多繁重的工作，并给我们的艺术家提供了灵活性，不必像标准静态批处理那样担心材料限制，”Hutchison继续说道。“我们平均有100-200个批次，主要在不透明队列中，这效果很好。”

团队还减少了反射探针，并使用材料排序队列和烘焙光照来提高批处理效率并降低渲染成本。

由于关卡的大小，他们实现了一个自定义的分层体积剔除系统，以减少渲染开销。“每个关卡被分成大块，我们称之为‘岛’，根据玩家的位置启用或禁用，”Hutchison说。“这也意味着我们可以禁用这些岛屿的动画器和粒子效果。总体而言，这是一个轻量级的解决方案，满足了我们的需求。”

“团队的艺术家希望拥有高保真图形，包含大量独特的网格数据、着色器效果和后期处理，以帮助推动他们所创造的世界的梦幻品质。有了URP，内置的后期处理功能意味着我们可以快速模拟视觉效果，而不总是需要完全自定义的解决方案。” – Hardlight艺术总监Simon Dew

减少CPU帧时间

为了确保所有iOS设备上的游戏体验一致，Hardlight团队将其物理频率设置为60 Hz，而不是默认的50 Hz。他们使用FixedUpdate来强制特定对象更新之间的预期时间步，以增强确定性。

当由于性能问题帧时间显著增加时，Unity中会在单个帧内进行多次FixedUpdate调用，以保持所需的物理更新速率。

“最终，模拟无法及时处理所有所需的更新，导致帧时间更长，”Hardlight的首席软件工程师路易斯·马坎说。相同的物理时间步导致低端设备上每帧FixedUpdate调用的数量增加，这些设备以30 fps运行游戏。

为了在像iPhone 6s Plus这样的旧设备上保持良好的帧率，团队优化了每个FixedUpdate。在分析单个FixedUpdate调用时，他们注意到绝大多数FixedUpdate时间被数百个脚本实例的更新调用占用。尽管这些脚本通过早期退出条件迅速退出，但FixedUpdate调用仍然执行。

“即使看起来FixedUpdate在条件不满足时没有做任何事情，脚本中声明的每个Unity事件函数都会造成开销，”马坎说。“虽然开销本身很小，但在关卡创建期间执行的数千个Update、FixedUpdate和Late Update调用对性能产生了很大影响。”

解决这个问题需要多种方法的结合。首先，为脚本添加了一个管理器，以便它们可以注册自己，管理器会按所需的更新频率逐个处理每个对象。这意味着所有Unity事件函数都可以被移除，不再占用CPU时间。最后，未与玩家物理交互的对象被设置为在Update中处理，从而将低端设备的计算成本减半。

增强游戏的粒子系统

团队还注意到场景中过多的粒子系统影响了CPU性能。作为粒子池系统的一部分，团队通过自定义的ParticleEffectsWrapper组件使用ParticleSystemRenderer API启用或禁用粒子系统。在主线程和工作线程上处理超过500个粒子系统更新，这大约占用了5.2毫秒的CPU帧时间。

“Unity的视觉效果图在这个项目中对我们来说不是一个选项，因为我们许多低端设备不支持该系统所依赖的GPU计算，”Hutchison说。“如果我们能使用它，我们将从其更好的剔除和实例化技术中受益。”

Unity中的粒子系统可以是程序化的或非程序化的。程序化粒子系统可以自由地倒回或快进到任何时刻。

“通过程序化，Unity可以安全地剔除粒子系统及其所有相关处理，当它在屏幕外时，然后在再次可见时简单地快进到正确的状态，”Hutchison说。“这可以产生相当可观的性能提升。然而，这通常是粒子效果创建中被忽视的一部分，并且很容易意外地使效果变为非程序化。”

为了避免这种情况，ParticleEffectsWrapper组件不仅根据相机视锥剔除粒子，还定义了自定义渲染边界，因此即使一个粒子被标记为程序化，手动设置的边界仍然可以剔除系统。

“在一个场景中有大量粒子系统时，确保尽可能多的系统是程序化的变得很重要，如果不是，则在ParticleEffectsWrapper组件中设置它们的渲染边界，”Macan说。“这防止了不必要的计算和绘制调用，显著提高了性能。”

除了剔除，团队还优先考虑效果的良好创建实践。他们只使用必要的粒子系统，并限制最大粒子数以减少alpha过度绘制和内存分配。他们还专注于处理粒子效果的纹理图集，并避免过长的持续时间。他们还通过URP渲染设置中的‘显示所有隐藏属性’切换启用了动态批处理，这一小改动帮助他们减少了粒子的绘制调用并加快了渲染速度。

遇到GPU瓶颈

Sonic Dream Team的愿景需要先进的图形和快速的游戏玩法。为了定制，他们为某些效果使用了渲染特性，如屏幕空间环境光遮蔽、自定义全屏效果和屏幕空间贴花。这造成了渲染延迟和内存问题。

“在开发过程中，我们发现使用基于深度的屏幕空间贴花来处理角色和敌人阴影时，渲染特性导致了不必要的深度法线预处理，”Hutchison说。“这意味着渲染时间的大部分都花在了不必要的工作上，并增加了渲染目标内存，因为我们不需要法线缓冲区。我们与Unity团队合作解决了这个问题，修复程序已在引擎补丁发布中添加。”

着色器预热也是一个问题，整个关卡中CPU/GPU的显著峰值导致了卡顿。“为了有效地在Metal上预热着色器，着色器必须包含所有所需的关键字，并具有它们将渲染的每个网格的特定顶点布局组。这意味着仅限编辑器的缓存是不可能的，”Hutchison说。

为了解决这个问题，Hardlight的工程师创建了一个系统，在加载时“闪烁渲染”相机前的所有对象，位于加载屏幕后。

“我们的岛屿剔除技术提供了对场景中所有渲染器列表的轻松访问。在设备上执行这项操作意味着我们在玩家正式进入关卡之前，拥有所有正确的管道状态数据和质量设置中的关键字，”Hutchison说。“这确实稍微增加了关卡加载时间，但对于玩家体验来说是值得的。”

虽然对克服着色器预热的结果感到满意，Hutchison正在考虑未来的其他选择。“自游戏发布以来，Unity发布了PSO缓存和通过GraphicStateCollections预热，我们希望在未来使用它。”

通过Addressables减少内存大小

在开发过程中，游戏在运行时使用了1.35 GB的内存。考虑到iPhone 6s Plus只有2 GB的物理内存，这可能导致问题，包括操作系统终止应用程序的风险。

“资产重复是一个大障碍。”这款游戏有超过3000个重复的素材资源，这使得其体积膨胀，并导致在运行时多次加载相同的素材资源，"Macan说。

当时，Unity可寻址系统仅管理游戏素材资源的一小部分。这导致了素材资源在二进制文件和可寻址组中都被引用，从而造成了重复。

在开发初期，团队使用了一个可寻址组，并将其设置为单独打包。这意味着组中的每个素材资源都有自己的单独AssetBundle。虽然在特定情况下很有用，但这种细粒度的方法也导致了大量重复的素材资源。确保所有资产都是可寻址的，并对可寻址组采取结构化的方法，使iOS上的构建大小从4GB减半至2GB。

减少着色器变体内存

在游戏制作过程中，着色器变体是团队关注的一个重要领域，运行时着色器内存膨胀到超过1GB。变体的数量也增加了构建时间。他们通过各种方法解决了这个问题——主要是使用IPreprocessShaders进行着色器剥离、Unity的预过滤、Unity的动态着色器加载以及减少着色器分支。

“我们使用了自己定制的IPreprocessShaders剥离实现，全球性地从所有着色器中移除了着色器关键字，并通过Unity Asset Store的着色器控制进行了局部处理，”Hutchison说。“在着色器中更有意识地使用关键字也是一个很大的胜利。”

他们的着色器使用了Shader Graph，这本质上包括了Unity预定义的关键字，向这些添加额外的关键字会产生指数级的影响。将一些逻辑切换到动态分支或完全移除关键字显著减少了总变体。

“通过结合所有这些方法，我们将运行时着色器变体内存减少到平均100MB或更少，”Hutchison说。“我们还使用了Unity的项目审计工具，它提供了构建中所有资产和设置的全局视图。将其与内存分析器结合使用，我们识别出了受益于改进导入预设的纹理和网格。这进一步减少了来自艺术和音频资产的内存压力。”

庆祝胜利并展望未来

在十多年中，Unity和Hardlight建立了一层共享技术，工作室依赖于此。“我们仍在支持10年前用Unity制作的游戏，”Macan说。

他指出，Unity多年来增加了很多功能，以至于工作室通过放弃一些Unity API的本机代码来简化其维护。“Unity 处理了许多低级设备支持，我们可以专注于制作实际的游戏。随着技术的发展，我相信 Unity 会帮助我们跟上，”他兴奋地说。

Sonic Dream Team证明你仍然可以教一只老刺猬新把戏。而且，就像索尼克一样，Hardlight和Unity都有着良好的业绩记录和光明的未来。

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