Live2D 性能优化

作者：admin
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时间：2019年12月17日
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浏览：5252 次
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分类：厚积薄发

随着Live2D在项目研发中被广泛使用，其性能优化的需求已经不容忽视。笔者通过模型资源、Mesh、RenderTexture、Material和CPU耗时这5个方面来阐述优化的过程，并且最终实现了低端机上6个模型30帧的效果，值得大家参考。

优化结果

测试机型：低端机——红米4X
测试样例：同样的6个模型（游戏中同屏最多6个模型）
版本：3.2.05

CPU优化主要在CubismModel.Update、CubismModel.OnRenderObject；
内存优化主要在Texture2D、Mesh、RenderTexture、Material以及Mono内存分配。

接下来介绍从模型资源、Mesh、RenderTexture、Material和CPU耗时5个方面来优化性能。

1、模型资源

项目前期没有制定Live2D美术规范，美术导出文件的时候，直接使用自动布局顶点的方式，而Live2D自动生成Mesh的时候对于每个部件的内外边界各生成一份顶点，发现如下问题：
1、模型Mesh数量太多
2、模型的总顶点数达到6K左右

后续跟美术沟通之后，对Live2D模型（后续的模型都指Live2D模型）的导出规定如下：
1、手动布局顶点
2、ArtMesh数量控制在100以内（之前的模型由于改动的工作量太大，暂时不做修改）
3、模型顶点数控制在2k面以内（游戏最多有6个模型）
4、Edit Texture Altas中贴图大小1024*1024，自动布局且Margin为5px
5、为了避免多贴图导致DrawCall升高，一个模型只使用一张贴图

2小时后，通过Live2D Cubism Editor->File->Model Statistics查看优化结果如下：

性能数据测试结果如下：

2、Mesh

测试发现游戏一个模型的Mesh数量在80-200之间，同屏最多有6个模型，通过UWA GOT测试发现Mesh峰值达到107MB（27380个），Material数量达到10.2MB（14968个），其中Unlit（Instance）数量14563个明显异常。

研究CubismRenderer.cs发现如下问题：
1、运行时创建了两份Mesh内存
2、Mesh资源未销毁，导致内存泄漏
3、顶点色每帧都会重新赋值

针对问题1，经测试发现，改成一份Mesh并没有明显的CPU变化，Mesh内存减少一半，由于每一帧都有顶点变化，_meshFilter.mesh = FrontMesh每帧700次的CPU消耗也可以省去。
针对问题2，可以在OnDestroy中调用Destroy接口销毁Mesh。
针对问题3，使用标记控制是否更新顶点色，减少顶点色赋值的0.5ms左右CPU消耗。

另外值得一提的是，Mesh中使用了顶点色处理透明和颜色变化，但是同一个Mesh的顶点色全部相同，可以想到在Shader中控制颜色，实际上为了动态合批不得不使用顶点色，合批之后控制在10个DrawCall左右，不合批每个模型DrawCall数量达到上百个。

3、RenderTexture

CubismMaskTexture.cs中创建的RenderTexture大小默认为1024*1024，项目中遮罩效果大部分使用在眼睛，在实际测试之后有如下优化：
1、将GlobalMaskTexture.asset的Size改成128，实际数值可以根据项目需要修改。
2、CubismMaskTexture.cs中RemoveSource函数加上如下检查，在没有遮罩模型的时候可以释放RenderTexture。

if(Sources.Count == 0)
 {
     if(_renderTexture != null)
     {
         RenderTexture.ReleaseTemporary(_renderTexture);
        _renderTexture = null;
     }
 }

3、CubismMaskTexture.cs中OnDisable()和RefreshRenderTexture()函数中同样添加释放RT的接口。
4、CubismMaskController.cs做如下修改，避免RenderTexture无法释放，同时避免切换模型且未销毁时CubismMaskCommandBuffer.Lateupdate持续CPU消耗。

修改后：

4、Material

通过UWA GOT测试发现材质数量也达到1w多个，研究发现材质有明显的泄漏问题，解决方案如下：

1、CubismRenderer.cs中Material属性

public Material Material
{
     get
    {
         return MeshRenderer.material;
     }
     set
     {
        MeshRenderer.material = value;
     }
 }

修改成：

public Material Material
 {
    get
     {
         return MeshRenderer.sharedMaterial;
     }
     set
     {
         MeshRenderer.sharedMaterial = value;
     }
 }

2、模型导入引擎后，将相同材质的MeshRender缓存，在运行时的Start函数中实例化材质，对所有同材质的MeshRender赋值同一个实例，离线实例化的问题时可能出现两个以上相同的模型共享材质。

3、模型销毁的时候同时将实例化的材质销毁。

5、CPU耗时

通过UnityProfiler发现CPU消耗主要在：

1、CubismModel.OnRenderObject[9.92ms]
一部分时间消耗在CubismCoreDll.UpdateModel(Ptr)调用，该接口为Live2D底层封装暂时无法修改，只能通过减少Mesh数量减少CPU时间。

另一部分消耗DynamicDrawableData.ReadFrom(UnmanagedModel)，通过分析代码发现这里只是复制数据到DynamicDrawableData，则可以省去该CPU消耗. 同时在使用DynamicDrawableData的逻辑中用UnmanagedModel替代。

2、CubismModel.Update[9.64ms]
这个接口最终调用到CubismRenderController.cs文件的OnDynamicDrawableData接口，其逻辑主要是同步底层数据变化同时更新Mesh信息，优化思路如下：

一方面更新是否可见，渲染顺序，透明度，顶点位置信息. 其中从C++底层获取数据的时候每一次都会进行范围合法性检查，此处可以在循环外对数组进行统一检查，有部分Mesh不可见，可以在Mesh不可见的时候避免更新。

具体逻辑如下：

///CubismUnmanagedArrayView.cs
public unsafe T this[int index]
{
    get
    {
        return Address[index];
    }
}

///CubismRenderController.cs
private void OnDynamicDrawableData(CubismModel sender, CubismUnmanagedModel unmanagedModel)
{
    var dataDrawables = unmanagedModel.Drawables;
    var iLen = dataDrawables.Count;
    var flags = dataDrawables.DynamicFlags;
    var opacities = dataDrawables.Opacities;
    var renderOrders = dataDrawables.RenderOrders;
    var vertexPositions = dataDrawables.VertexPositions;

    if(!flags.IsValid)
    {
        throw new InvalidOperationException("flags Array is empty, or not valid.");
    }
    if (!opacities.IsValid)
    {
        throw new InvalidOperationException("opacities Array is empty, or not valid.");
    }
    if (!renderOrders.IsValid)
    {
        throw new InvalidOperationException("renderOrders Array is empty, or not valid.");
    }
    if (flags.Length < iLen)
    {
        throw new InvalidOperationException(string.Format("flags Array Length[{0}] < iLen[{1}]", flags.Length, iLen));
    }
    if (opacities.Length < iLen)
    {
        throw new InvalidOperationException(string.Format("opacities Array Length[{0}] < iLen[{1}]", opacities.Length, iLen));
    }
    if (renderOrders.Length < iLen)
    {
        throw new InvalidOperationException(string.Format("renderOrders Array Length[{0}] < iLen[{1}]", renderOrders.Length, iLen));
    }

    // Get drawables.
    var renderers = Renderers;
    // Handle render data changes.
    for (var i = 0; i < iLen; ++i)
    {
        var curRenderer = renderers[i];
        var curFlags = flags[i];
        // Skip completely non-dirty data.
        if (curFlags.HasAnyFlag())
        {
            // Update visibility.
            if (curFlags.HasVisibilityDidChangeFlag())
            {
                curRenderer.OnDrawableVisiblityDidChange(curFlags.HasIsVisibleFlag());
            }
            // Update render order.
            if (curFlags.HasRenderOrderDidChangeFlag())
            {
                curRenderer.OnDrawableRenderOrderDidChange(renderOrders[i]);
            }
            // Update opacity.
            if (curFlags.HasOpacityDidChangeFlag())
            {
                curRenderer.OnDrawableOpacityDidChange(opacities[i]);
            }
            // Update vertex positions.
            if (curFlags.HasVertexPositionsDidChangeFlag())
            {
                curRenderer.OnDrawableVertexPositionsDidChange(vertexPositions[i]);
            }
        }
        if (curRenderer.UpdateVisibility())
        {
            curRenderer.UpdateRenderOrder();
            curRenderer.UpdateVertexColors();
            curRenderer.UpdateVertexPositions();
        }
    }
    // Pass draw order changes to handler (if available).
    var drawOrderHandler = DrawOrderHandlerInterface;
    if (drawOrderHandler != null)
    {
        var senderDrawables = sender.Drawables;
        var drawOrders = dataDrawables.DrawOrders;
        for (var i = 0; i < iLen; ++i)
        {
            var curData = flags[i];
            if (curData.HasDrawOrderDidChangeFlag())
            {
                drawOrderHandler.OnDrawOrderDidChange(this, senderDrawables[i], drawOrders[i]);
            }
        }
    }
    dataDrawables.ResetDynamicFlags();
}
///CubismRenderer.cs
internal unsafe void OnDrawableVertexPositionsDidChange(Core.Unmanaged.CubismUnmanagedFloatArrayView newVertexPositions)
        {
            if (!newVertexPositions.IsValid)
            {
                throw new InvalidOperationException("srcVertexPositions Array is empty, or not valid.");
            }
            // Copy vertex positions.
            var iLen = newVertexPositions.Length >> 1;
            if (newVertexPositions.Length < iLen)
            {
                throw new InvalidOperationException(string.Format("newVertexPositions Array Length[{0}] < iLen[{1}]", newVertexPositions.Length, iLen));
            }

            if (VertexPositions.Length != iLen)
            {
                Debug.LogErrorFormat("TranslateVertexPositions dont same length iLen={0}|dstMesh.vertexCount={1}"
                                        , iLen, VertexPositions.Length);
            }
            // Copy vertex positions.
            fixed (Vector3* pDstVertexPositions = VertexPositions)
            {
                for (var v = 0; v < iLen; ++v)
                {
                    var pDst = (pDstVertexPositions + v);
                    var offset = v << 1;


                    pDst->x = newVertexPositions[offset];
                    pDst->y = newVertexPositions[offset | 1];
                }
            }
            // Set swap flag.
            SetNewVertexPositions();
        }

另一方面同步Mesh的信息，源代码使用了双缓冲Mesh优化性能，由于每一帧都有顶点变化，则每帧调用700次左右的Meshes[BackMesh].colors = VertexColors和MeshFilter.mesh = mesh占用大约一半的时间，这里我改成一份Mesh并没有发现明显的CPU变化，Mesh内存减少一半，同时MeshFilter.mesh = mesh的CPU消耗也可以省去。