Оптимизация графики: draw calls, batching, LOD

Красивая сцена бесполезна, если тормозит: оптимизация графики — это борьба с лишними командами и лишней геометрией.

Draw call — команда процессора видеокарте нарисовать порцию геометрии; их количество — одно из главных узких мест производительности.

Зачем это знать

Можно иметь мощный GPU и всё равно получить 20 FPS — если CPU захлёбывается, отправляя тысячи мелких команд. Оптимизация графики экономит и время CPU (меньше команд), и время GPU (меньше пикселей и вершин). Это финальный, но решающий навык.

Проблема draw calls

Каждый draw call имеет фиксированные накладные расходы на стороне CPU. Тысяча отдельных объектов = тысяча команд, и CPU не успевает их готовить. Решение — batching: объединить много объектов в один вызов.

cpu_cost_per_call = 0.05  # мс на один draw call (условно)

for objects in [100, 1000, 5000]:
    no_batch = objects * cpu_cost_per_call
    batched = (objects / 100) * cpu_cost_per_call  # по 100 в батч
    print(f"{objects} объектов: без батчинга {no_batch:.1f} мс, с батчингом {batched:.2f} мс")

Вывод:

100 объектов: без батчинга 5.0 мс, с батчингом 0.05 мс
1000 объектов: без батчинга 50.0 мс, с батчингом 0.50 мс
5000 объектов: без батчинга 250.0 мс, с батчингом 2.50 мс

5000 объектов по отдельности — 250 мс на одни только команды (катастрофа). Объединив их в батчи по 100, тратим 2.5 мс. Бюджет кадра — напомним, всего ~16.7 мс.

LOD: уровни детализации

Далёкий объект занимает несколько пикселей — незачем рисовать его миллионом полигонов. LOD подменяет дальние модели упрощёнными. Чем дальше — тем грубее меш.

def choose_lod(distance):
    if distance < 10:   return ("LOD0", 10000)  # вблизи: детально
    if distance < 50:   return ("LOD1", 2000)
    if distance < 200:  return ("LOD2", 400)
    return ("LOD3", 50)                          # вдали: грубо

for d in [5, 30, 120, 500]:
    lod, tris = choose_lod(d)
    print(f"дистанция {d}: {lod}, {tris} треугольников")

Вывод:

дистанция 5: LOD0, 10000 треугольников
дистанция 30: LOD1, 2000 треугольников
дистанция 120: LOD2, 400 треугольников
дистанция 500: LOD3, 50 треугольников

На экране разница незаметна (объект далеко), а нагрузка падает в сотни раз.

Culling: не рисовать невидимое

Как работает под капотом

Современные движки используют instancing (нарисовать тысячу одинаковых деревьев одним вызовом с разными матрицами), атласы текстур (много текстур в одной, чтобы не переключать состояние) и GPU-driven рендеринг (сам GPU решает, что рисовать). Профилировщик показывает, во что упёрся кадр — в CPU (много draw calls) или GPU (тяжёлые шейдеры, overdraw).

Частые ошибки

• Тысячи отдельных объектов без батчинга/instancing — CPU становится узким местом.
• Рисовать дальние объекты в полной детализации — впустую тратится GPU.
• Overdraw: много перекрывающихся прозрачных слоёв заставляют шейдер считать одни пиксели многократно.

Итоги

• Draw calls дороги на стороне CPU; batching и instancing их сокращают.
• LOD снижает детализацию дальних объектов без видимой потери качества.
• Culling (frustum, backface, occlusion) не рисует невидимое.
• Профилировщик показывает, упёрся кадр в CPU или GPU.