Unity游戲畫面引數決議與應用：垂直同步、動態模糊、抗鋸齒

前言

最近會在B站刷到一些關于

• 30幀暴漲90幀! 高 中 低端顯卡運行3A大作優化指南【干貨向】

• 游戲畫質設定教程

等等這樣關于畫面與性能調整的的視頻，看完之后受益良多，UP主們經過實際測驗獲取到寶貴的游戲畫面對于性能表現影響的資料，可以很好的幫助到游戲愛好者對游戲畫面引數的調教

對于一個游戲開發者而言，通過這樣的視頻也可以了解到一些影響到游戲性能的一些關鍵點，還是推薦大家看看的

好巧不巧，在此之后，又看到了大學同學在群里分享了一張關于原神畫面設定的圖片，具體如下圖所示，根據他的引數設定來看，由于筆記本配置比較高，所以直接把所有的引數調整到比較高的一個狀態，根據這個案例可以很明顯的看出，游戲廠商有時設定的一些引數不一定會被玩家所理解，從人類的思維方式來說也是，如果我不了解這些引數，就會認為高了比低了好，打開比關閉表現好

但是垂直同步、動態模糊、抗鋸齒這些引數是用來解決一定場景下的負面引數的，并不就是打開就一定要比關閉好

所以對于一個游戲開發者而言，就需要對這些引數有一定的敏感度，這篇文章就簡單的分析一下關于游戲畫面引數相關內容，首先通過我的直觀感受，大概的將這些引數分為三個方面：

• 用來權衡畫面與性能表現，如解析度、渲染精度、渲染質量、場景細節等等
• 解決特定情況下的畫面的負面效果，比如垂直同步、動態模糊、抗鋸齒等
• 增強視覺效果的特定技術，如體積霧、反射、Bloom等

第一類與第三類可以很直觀的去理解，所以就不多介紹了，這里就主要說一下第二類的引數相關的內容

一、 垂直同步：

顯示幕在重繪畫面時，會逐行掃描螢屏像素，這些水平掃描線在垂直方向的堆積就形成了完整的畫面，而這些畫面的資訊來自于顯卡輸出的每幀畫面資訊

簡單的來說，整個畫面的輸出作業流程為，在顯卡渲染完成后，輸出一幀的畫面資訊到某一快取區域，而當下一游戲幀畫面完成后，會直接替換掉快取區域的資訊，而顯示幕的畫面輸出則是與螢屏重繪率有關，并且顯示幕相對于顯卡而言，對于畫面的資訊處理是一個程序變化，即顯示幕在一定的時間間隔內從上到下一行一行讀取顯卡快取的畫面資訊

由于這樣的作業流程，當游戲幀數大于螢屏的重繪率的時候，就容易出現這樣的一個問題，即顯示幕一個畫面未重繪完成時，快取區域內快取畫面資訊卻變為了下一幀的內容，那么顯示幕剩余的畫面資訊讀取的就是下一幀的資訊，這樣最后的顯示幕最后的畫面就是由兩幀或者多幀畫面組合而成，而在這一程序，若游戲鏡頭移動的過快，導致顯卡輸出的兩幀畫面的資訊差異較大，就會在顯示幕上顯示出截斷的畫面

垂直同步如何解決兩者差異:

首先同步百度百科的解釋來說明垂直同步的一些基本資訊：垂直同步又稱場同步（Vertical synchronization），從CRT顯示幕的顯示原理來看，單個像素組成了水平掃描線，水平掃描線在垂直方向的堆積形成了完整的畫面，顯示幕的重繪率受顯卡DAC控制，顯卡DAC完成一幀的掃描后就會產生一個垂直同步信號，我們平時所說的打開垂直同步指的是將該信號送入顯卡3D圖形處理部分，從而讓顯卡在生成3D圖形時受垂直同步信號的制約

在Unity中，如果想要開啟垂直同步，可以在Quality下面找到Vsync Count，而關于其對應的三個選項分別為：

• Don't Sync:不需要垂直同步
• Every V Blank：開啟垂直同步
• Every Second V Blank：每隔一個垂直空白同步

也可以直接通過腳本中的API來直接控制：

public static int vSyncCount ;

而關于這一選項的具體的含義，可以根據Unity檔案中介紹來了解到其應在每幀之間傳遞的垂直同步數，使用'Don't Sync' (0)則不等待垂直同步， 值必須為 0、1、2、3 或 4

二、動態模糊

我們日常接觸的電影的幀數大多都是24幀左右，但是給我們的感覺卻是非常的流暢，而電子游戲的幀數就算達到了四五十幀也會有一定的卡頓感，這是為什么呢

游戲動態模糊由來

這要從兩者的畫面呈現原理說起，在我們拍攝電影時，每一幀的畫面記錄的資訊是一幀曝光時間段內記錄的資訊，如果在這段曝光時間內畫面內的物體發生了位移，那么在鏡頭內占據的像素資訊也是變化的，簡單的舉個例子，我們在拍攝一張運動場景的圖片時，會發現畫面是連貫性模糊的，比如這張我拍的北京五環的夜景照片，可以看到運動的汽車產生了明顯的模糊效果：

同樣對于電影而言，每一幀畫面的資訊也是記錄一段時間的資訊，簡單的驗證，當我們看到電影中快速移動的鏡頭時，如果按下暫停，就會發現畫面是非常模糊的，如圖所示：

出現這種運動模糊的情況是，相機的快門不是瞬時的，而是與曝光時間有關，會持續的接受進來的光的資訊，而隨著時間的流逝，對于運動的物體來說，傳入相機傳感器的資訊會持續改變并疊加而產生模糊的效果，那么根據相機的成像原理來說，是不是畫面曝光時間足夠短的話就可以得到清晰的畫面呢，答案是否定的，如果縮短曝光時間，可能就會造成進光量不足，而無法獲取足夠的環境資訊

為什么這種模糊的畫面可以給人流暢的感覺呢，這是因為人的大腦在處理這些模糊的畫面時，會自動的進行畫面的修正而產生視覺暫留的效果，從而聯想到前后的畫面，組合成連貫的畫面，

與相機的成像程序稍微不同的是，游戲里面的每一幀畫面都是通過計算機實時計算出來的結果，而一幀里面的畫面資訊代表某一瞬間計算處的畫面資訊，因此如果場景相機前后兩幀位置變化較大，畫面資訊就會產生明顯的差異，而給玩家卡頓的感覺

為了提升低性能設備的游戲體驗，尤其是FPS游戲，會給玩家提供動態模糊的選項，利用動態模糊的視覺原理嘗試減少游戲的卡頓感，不過也有一些賽車游戲會通過動態模糊這種方式來提升游戲的真實沉浸感與速度感

Unity實作方式：
關于動態模糊的游戲內實作原理，我嘗試去搜索了解一下，其主要是基于前后幀中運動矢量的一個，而運動矢量這個概念與視頻編碼相關的知識，也有大量的數學知識出現，確實超出我的理解，這里簡單的從應用層面來介紹，在Unity提供的后處理方案中，可以添加Motion Blur作為后處理的動態模糊解決方案

其三個關鍵引數為：

• Quality：設定效果的質量，較低的預設可提供更好的性能，但視覺質量較低，
• Instensity：將運動模糊濾鏡的強度設定為 0 到 1 之間的值，值越高，模糊效果越強，但會導致性能降低，具體取決于Clamp引數，
• Clamp：設定由相機旋轉產生的速度可以具有的最大長度，這限制了高速下的模糊，以避免過度的性能成本，該值是作為螢屏全解析度的一部分進行測量的，值范圍是 0 到 0.2，默認值為 0.05

三、 抗鋸齒

打開一張圖片，然后無線的放大，直到可以看到圖片的每一個像素顏色，就會發現基本的像素單元是由一個個方格組成的，如圖所示：

而這些像素塊通過不同的顏色值最終組成一張豐富多彩的圖片，但是由于在微觀上層面方塊上無法繪制處完美斜線，所以會在宏觀層面出現一些突出的鋸齒狀的現實效果，如下圖所示：

很顯然，這種顯示效果對于游戲畫面而言是非常不好的，尤其在色彩對比度比較強的區域，為了盡可能的減輕該效果，就需要一定的手段去干預解決，對于玩家而言，最直接有效的方式就是增大游戲的解析度，而在技術手段方面，可以通過抗鋸齒來柔化邊緣場景的外觀，來減小突出的不適觀感

1、抗鋸齒介紹：

抗鋸齒可改善多邊形邊緣的外觀，使它們不會產生“鋸齒現象”，而是在螢屏上獲得平滑的顯示效果，但是，它會導致顯卡的性能成本升高并使用更多的視頻記憶體（盡管沒有 CPU成本），抗鋸齒的程度決定了多邊形邊緣的平滑程度（以及消耗的視頻記憶體量），目前已有的抗鋸齒解決方案有很多，下面列舉幾個與Unity解決方案相關抗鋸齒方案，這里的內容介紹直接參考百度百科的描述：

超級采樣抗鋸齒（SSAA）：

超級采樣抗鋸齒先把影像映射到快取并把它放大，再用超級采樣把放大后的影像像素進行采樣，一般選取2個或4個鄰近像素，把這些采樣混合起來后，生成的最終像素，令每個像素擁有鄰近像素的特征，通過這一步的處理，像素與像素之間的過渡色彩，就變得近似，圖形的邊緣色彩過渡趨于平滑，再把最終像素還原回原來大小的影像，并保存到幀快取也就是顯存中，替代原影像存盤起來，最后輸出到顯示幕，顯示出一幀畫面，整個程序的變化演示程序為：

整個程序的處理就等于，將圖片成倍放大后逐像素色彩混合，得到一張模糊的色彩平滑的大圖，然后把這幅模糊的大圖，通過細膩化后再縮小成清晰的小圖，如果每幀都進行抗鋸齒處理，游戲或視頻中的所有畫面都帶有抗鋸齒效果，而將影像映射到快取并把它放大時，放大的倍數被用于分別抗鋸齒的效果，即我們通常所說的2x、4x、8x就是指的圖片的放大倍數， 超級采樣抗鋸齒中使用的采樣法一般有兩種：

• 順序柵格超級采樣，采樣時選取2個鄰近像素
• 旋轉柵格超級采樣，采樣時選取4個鄰近像素

2、Unity中設定抗鋸齒

Unity中針對不同的平臺或不同性能的游戲設備，提供了多種不同技術方案的抗鋸齒選項，大概可以分為下面兩類：

• 硬體設備抗鋸齒：多重采樣抗鋸齒（MSAA）
• 后處理抗鋸齒：快速近似抗鋸齒 (FXAA)、子像素增強抗鋸齒（SMAA）、時間抗鋸齒 (TAA)

下面簡單列舉一下各個抗鋸齒解決方案的簡單解釋，內容來源百度百科與Unity檔案：

硬體設備抗鋸齒：

多重采樣抗鋸齒（MSAA）：

多重采樣抗鋸齒是一種特殊的超級采樣抗鋸齒，該技術來自于OpenGL，具體是MSAA只對深度快取（Z-Buffer）和模板快取(G-Buffer)中的資料進行超級采樣抗鋸齒的處理，通過深度快取可以獲取到物體的邊緣資訊，這樣就可以只對多邊形的邊緣進行抗鋸齒處理，相比SSAA對畫面中所有資料進行處理，MSAA對資源的消耗需求大大減弱，不過在畫質上可能稍有不如SSAA

在Unity引擎中，默認支持的抗鋸齒方案就是MSAA，可以在質量設定中找到該選項：

注意，在Unity中將URP作為渲染管線時，該選項被移動到URP對應的組態檔中的Quality中，如果是在專案初始創建時，選擇直接創建URP模板，可以在Assets/Setting中找到該組態檔

同時對于MSAA而言，其不可在延遲渲染中使用，所以在Unity的默認設定中，僅僅考慮在前向渲染中應用該選項

后處理抗鋸齒:

Unity中的后處理抗鋸齒提供一下抗鋸齒模式：

• 快速近似抗鋸齒（FXAA）；適用于不支持運動矢量的移動設備和平臺的快速演算法，
• 子像素增強抗鋸齒（SMAA）；適用于不支持運動矢量的移動設備和平臺的高質量但速度較慢的演算法，
• 時間抗鋸齒（TAA）；一種需要運動矢量的高級技術，桌面和控制臺平臺的理想選擇，

如果是在URP模板下，你可以在Camera中看到抗鋸齒的選項，其默認選項為FXAA，即快速近似抗鋸齒，如圖所示：

如果是默認渲染管線的情況下，就需要通過Post-process Layer來為每一個相機單獨設定其抗鋸齒模式，如圖所示：

下面簡單的粘貼過來Unity檔案對三者的一些基本的介紹：

• 快速近似抗鋸齒（FXAA）： FXAA 是基于MSAA的一種高性能近似值，是一種單執行緒的像素著色器是最有效的抗鋸齒技術，非常適用于不支持運動矢量的移動平臺和其他平臺

• 子像素增強抗鋸齒（SMAA）：相比于FXAA而言，SMAA的抗鋸齒效果的質量更好，但是同時也更加消耗性能

• 時間抗鋸齒 (TAA)：TAA是一種先進的抗鋸齒技術，其中幀在歷史緩沖區中隨時間累積，用于更有效地平滑邊緣，它在平滑運動邊緣方面要好得多，但需要運動矢量并且比FXAA更昂貴，它是桌面和控制臺平臺的理想選擇