Žaidimų optimizavimas: našumo technikos pasaulinei sėkmei

Konkurencingoje žaidimų kūrimo aplinkoje našumas yra svarbiausias. Prastai optimizuotas žaidimas, nepaisant jo meninės vertės ar novatoriško žaidimo proceso, rizikuoja atstumti žaidėjus dėl vėlavimo, žemo kadrų dažnio ir per didelio resursų naudojimo. Tai ypač svarbu pasaulinėje rinkoje, kur žaidėjai žaidimus pasiekia įvairiausiais įrenginiais – nuo aukščiausios klasės žaidimų kompiuterių iki nebrangių mobiliųjų telefonų. Šis išsamus vadovas nagrinėja esmines žaidimų optimizavimo technikas, taikomas įvairiose platformose, siekiant užtikrinti sklandžią ir malonią patirtį žaidėjams visame pasaulyje.

Našumo „butelio kakliukų“ supratimas

Prieš pradedant nagrinėti konkrečias optimizavimo technikas, būtina nustatyti „butelio kakliukus“, darančius įtaką jūsų žaidimo našumui. Dažniausi kaltininkai yra:

CPU (Centrinis procesorius): Tvarko žaidimo logiką, dirbtinį intelektą, fizikos skaičiavimus ir kitus pagrindinius skaičiavimus.
GPU (Grafikos procesorius): Atsakingas už grafikos atvaizdavimą, įskaitant tekstūras, šešėliavimo programas ir vaizdo efektus.
Atmintis (RAM): Saugomi žaidimo ištekliai, duomenys ir programos instrukcijos greitam pasiekimui.
Disko I/O (įvestis/išvestis): Turi įtakos užkrovimo laikui ir išteklių srautiniam perdavimui.
Tinklas: Daro įtaką internetiniams kelių žaidėjų žaidimams dėl delsos ir pralaidumo apribojimų.

Pagrindinio „butelio kakliuko“ nustatymas yra pirmasis žingsnis link efektyvaus optimizavimo. Tam dažnai reikia naudoti profiliavimo įrankius, kad būtų galima analizuoti CPU ir GPU naudojimą, atminties paskirstymą ir tinklo srautą.

Profiliavimo įrankiai: jūsų optimizavimo arsenalas

Profiliavimo įrankiai teikia neįkainojamą įžvalgą apie jūsų žaidimo našumą. Populiarūs variantai:

Unity Profiler: Įmontuotas profiliuotojas Unity projektams, teikiantis išsamią informaciją apie CPU, GPU, atminties ir atvaizdavimo našumą.
Unreal Engine Profiler: Panašus į Unity profiliuotoją, teikiantis išsamią našumo analizę Unreal Engine žaidimams.
RenderDoc: Galingas atvirojo kodo grafikos derintuvas, leidžiantis tikrinti atskirus piešimo iškvietimus (draw calls) ir šešėliavimo programų vykdymą.
Perfetto: Gamybinio lygio našumo sekimo ir analizės rinkinys, skirtas Android, Linux ir Chrome.
Xcode Instruments (iOS): Profiliavimo įrankių rinkinys, skirtas iOS kūrimui, įskaitant CPU pavyzdžių rinkiklį, atminties paskirstymą ir OpenGL ES analizatorių.
Android Studio Profiler (Android): Siūlo CPU, atminties, tinklo ir energijos profiliavimą Android programoms.

Šių įrankių įvaldymas leis jums tiksliai nustatyti našumo „butelio kakliukus“ ir nukreipti optimizavimo pastangas.

CPU optimizavimo technikos

CPU našumo optimizavimas yra būtinas siekiant užtikrinti sklandų žaidimo procesą, ypač žaidimuose su sudėtingu dirbtiniu intelektu, fizika ar simuliacijomis.

Kodo optimizavimas

Efektyvaus kodo rašymas yra CPU našumo pagrindas. Apsvarstykite šiuos dalykus:

Algoritmų optimizavimas: Pasirinkite efektyviausius algoritmus savo specifinėms užduotims. Pavyzdžiui, maišos lentelės (hash table) naudojimas vietoj tiesinės paieškos gali žymiai pagerinti našumą.
Duomenų struktūros: Pasirinkite tinkamas duomenų struktūras, kad sumažintumėte atminties naudojimą ir prieigos laiką.
Kaupimas (Caching): Saugokite dažnai pasiekiamus duomenis vietiniuose kintamuosiuose, kad sumažintumėte atminties prieigos pridėtines išlaidas.
Venkite nereikalingų paskirstymų: Sumažinkite objektų kūrimą ir naikinimą, nes atminties paskirstymas gali būti brangi operacija. Naudokite objektų telkimą (object pooling), kad pakartotinai naudotumėte esamus objektus, o ne kurtumėte naujus.
Eilučių sujungimas: Venkite pakartotinio eilučių sujungimo cikluose, nes tai gali sukurti daugybę laikinų eilučių objektų. Efektyviam eilučių manipuliavimui naudokite StringBuilder (C#) ar panašias technikas.
Sąlyginė logika: Optimizuokite sąlyginius sakinius, pirmiausia pateikdami labiausiai tikėtinas sąlygas.
Sumažinkite virtualių funkcijų iškvietimus: Virtualių funkcijų iškvietimai sukelia pridėtines išlaidas dėl dinaminio išsiuntimo. Sumažinkite jų naudojimą, kur įmanoma, ypač našumui svarbiose kodo dalyse.

Pavyzdys (C# - Unity): Užuot pakartotinai skaičiavę skaičiaus kvadratinę šaknį, kaupkite rezultatą:


float CachedSqrt(float number)
{
  static Dictionary sqrtCache = new Dictionary();

  if (sqrtCache.ContainsKey(number))
  {
    return sqrtCache[number];
  }
  else
  {
    float result = Mathf.Sqrt(number);
    sqrtCache[number] = result;
    return result;
  }
}

Daugiagijis programavimas (Multithreading)

Išnaudokite kelis CPU branduolius, paskirstydami užduotis skirtingoms gijoms. Tai gali žymiai pagerinti našumą, ypač skaičiavimams imlioms užduotims, tokioms kaip fizikos simuliacijos ar dirbtinio intelekto skaičiavimai.

Užduotimis grįstas lygiagretumas: Suskaidykite dideles užduotis į mažesnes, nepriklausomas užduotis, kurias galima vykdyti lygiagrečiai.
Duomenų lygiagretumas: Taikykite tą pačią operaciją keliems duomenų elementams vienu metu, naudodami kelias gijas.
Sinchronizavimas: Užtikrinkite tinkamą sinchronizavimą tarp gijų, kad išvengtumėte lenktynių sąlygų (race conditions) ir duomenų sugadinimo. Naudokite užraktus, mutexus ar kitus sinchronizavimo primityvus, kad apsaugotumėte bendrinamus resursus.

Pavyzdys (C++): Naudojant std::thread užduočiai atlikti atskiroje gijoje:


#include <iostream>
#include <thread>

void task(int id)
{
  std::cout << "Thread " << id << " is running.\n";
}

int main()
{
  std::thread t1(task, 1);
  std::thread t2(task, 2);

  t1.join(); // Wait for t1 to finish
  t2.join(); // Wait for t2 to finish

  std::cout << "All threads finished.\n";

  return 0;
}

Objektų telkimas (Object Pooling)

Objektų telkimas yra technika, skirta pakartotinai naudoti esamus objektus, o ne kurti naujus. Tai gali žymiai sumažinti pridėtines išlaidas, susijusias su atminties paskirstymu ir šiukšlių surinkimu.

Išankstinis objektų paskirstymas: Sukurkite objektų telkinį žaidimo ar lygio pradžioje.
Pakartotinis objektų naudojimas: Kai reikia objekto, paimkite jį iš telkinio, o ne kurkite naują.
Objektų grąžinimas į telkinį: Kai objektas nebenaudojamas, grąžinkite jį į telkinį vėlesniam naudojimui.

Tai ypač efektyvu dažnai kuriamiems ir naikinamiems objektams, tokiems kaip sviediniai, dalelės ar priešai.

Fizikos optimizavimas

Fizikos simuliacijos gali būti skaičiavimams imlios. Optimizuokite savo fizikos nustatymus, kad sumažintumėte CPU apkrovą:

Susidūrimų aptikimas: Naudokite supaprastintas susidūrimų formas (pvz., ribojančias dėžes, sferas) vietoj sudėtingų tinklų (meshes) susidūrimų aptikimui.
Fizikos iteracijos: Sumažinkite fizikos iteracijų skaičių per kadrą. Tai gali pagerinti našumą, bet taip pat gali sumažinti simuliacijos tikslumą.
Miego slenkstis: Nustatykite miego slenkstį kietiesiems kūnams (rigid bodies), kad nustotų simuliuoti ramybės būsenoje esančius objektus.
Išjunkite kolizijos detektorius (colliders): Išjunkite kolizijos detektorius objektams, kurie nesąveikauja su aplinka.

GPU optimizavimo technikos

GPU našumo optimizavimas yra labai svarbus norint pasiekti aukštą kadrų dažnį ir vizualiai patrauklią grafiką. GPU tvarko tekstūrų, šešėliavimo programų ir papildomo apdorojimo efektų atvaizdavimą, todėl tai yra pagrindinis optimizavimo taikinys.

Detalumo lygis (LOD)

Detalumo lygis (LOD) yra technika, skirta sumažinti modelių sudėtingumą atsižvelgiant į jų atstumą nuo kameros. Tai sumažina poligonų, kuriuos reikia atvaizduoti, skaičių ir pagerina GPU našumą.

Sukurkite kelis LOD: Sugeneruokite skirtingas modelio versijas su skirtingais detalumo lygiais.
Perjunkite LOD pagal atstumą: Didėjant atstumui nuo kameros, perjunkite į mažesnio detalumo modelius.
Automatinis LOD generavimas: Naudokite įrankius ar scenarijus, kad automatiškai sugeneruotumėte LOD iš didelės raiškos modelių.

Pavyzdys: Medžio modelis gali turėti aukšto detalumo versiją su tūkstančiais poligonų artimiems vaizdams ir žemo detalumo versiją su keliais šimtais poligonų tolimiems vaizdams.

Okliuzijos atmetimas (Occlusion Culling)

Okliuzijos atmetimas yra technika, neleidžianti atvaizduoti objektų, kurie yra paslėpti už kitų objektų. Tai gali žymiai sumažinti piešimo iškvietimų (draw calls) skaičių ir pagerinti GPU našumą.

Naudokite okliuzijos tūrius: Apibrėžkite okliuzijos tūrius, kad nurodytumėte sritis, kurios gali užstoti kitus objektus.
Dinaminis okliuzijos atmetimas: Įdiekite dinaminį okliuzijos atmetimą, kad apdorotumėte judančius objektus ir kameros pozicijas.
Iš anksto apskaičiuotas okliuzijos atmetimas (Baked Occlusion Culling): Iš anksto apskaičiuokite okliuzijos duomenis lygio kūrimo metu, kad dar labiau optimizuotumėte našumą.

Šešėliavimo programų (Shaders) optimizavimas

Šešėliavimo programos (shaders) yra programos, veikiančios GPU, kurios nustato, kaip objektai yra atvaizduojami. Jų optimizavimas gali žymiai pagerinti GPU našumą.

Sumažinkite sudėtingumą: Supaprastinkite šešėliavimo programų kodą, pašalindami nereikalingus skaičiavimus ir instrukcijas.
Naudokite mažesnio tikslumo duomenų tipus: Kur įmanoma, naudokite mažesnio tikslumo duomenų tipus (pvz., pusės tikslumo slankiojo kablelio skaičius), kad sumažintumėte atminties pralaidumo naudojimą.
Optimizuokite tekstūrų pavyzdžių ėmimą: Sumažinkite tekstūrų pavyzdžių ėmimo skaičių ir naudokite mipmapping, kad sumažintumėte laiptuotumą (aliasing).
Grupuokite piešimo iškvietimus (Batch Draw Calls): Sujunkite kelis piešimo iškvietimus į vieną, kad sumažintumėte CPU pridėtines išlaidas.
Venkite permatomų objektų: Permatomumas gali būti brangus atvaizduoti dėl perpiešimo (overdraw). Sumažinkite permatomų objektų naudojimą arba naudokite alternatyvias technikas, tokias kaip dithering permatomumas.

Tekstūrų optimizavimas

Tekstūros yra vaizdai, naudojami suteikti detalumo 3D modeliams. Tekstūrų optimizavimas gali sumažinti atminties naudojimą ir pagerinti GPU našumą.

Suspauskite tekstūras: Naudokite suspaustus tekstūrų formatus (pvz., DXT, ETC, ASTC), kad sumažintumėte atminties naudojimą.
Mipmapping: Naudokite mipmapping, kad sukurtumėte mažesnės raiškos tekstūrų versijas tolimiems objektams.
Tekstūrų atlasai: Sujunkite kelias mažas tekstūras į vieną didelį tekstūrų atlasą, kad sumažintumėte tekstūrų perjungimų skaičių.
Tekstūros dydis: Naudokite mažiausią tekstūros dydį, kuris yra vizualiai priimtinas. Venkite naudoti nereikalingai dideles tekstūras.

Sumažinkite piešimo iškvietimus (Draw Calls)

Kiekvienas jūsų scenoje atvaizduojamas objektas reikalauja „piešimo iškvietimo“. Piešimo iškvietimų skaičiaus mažinimas yra pagrindinė optimizavimo technika.

Statinis grupavimas (Static Batching): Sujunkite statinius objektus su ta pačia medžiaga į vieną tinklelį (mesh).
Dinaminis grupavimas (Dynamic Batching): Sujunkite dinaminius objektus su ta pačia medžiaga tam tikrose artumo ribose. (Dažnai automatiškai valdoma žaidimų variklių)
GPU egzempliorių kūrimas (GPU Instancing): Atvaizduokite kelis to paties tinklelio egzempliorius su skirtingomis transformacijomis naudodami vieną piešimo iškvietimą.

Papildomo apdorojimo efektai (Post-Processing Effects)

Papildomo apdorojimo efektai (pvz., švytėjimas (bloom), aplinkos užtemimas (ambient occlusion), spalvų korekcija) gali žymiai pagerinti jūsų žaidimo vizualinę kokybę, tačiau jie taip pat gali būti skaičiavimams imlūs. Naudokite šiuos efektus saikingai ir optimizuokite jų nustatymus.

Sumažinkite efektų kokybę: Sumažinkite papildomo apdorojimo efektų kokybės nustatymus, kad pagerintumėte našumą.
Naudokite optimizuotas šešėliavimo programas: Naudokite optimizuotas šešėliavimo programas papildomo apdorojimo efektams, kad sumažintumėte GPU apkrovą.
Išjunkite nereikalingus efektus: Išjunkite papildomo apdorojimo efektus žemesnės klasės įrenginiuose.

Atminties optimizavimo technikos

Efektyvus atminties valdymas yra būtinas norint išvengti strigimų ir užtikrinti sklandų veikimą, ypač mobiliuosiuose įrenginiuose su ribotais atminties ištekliais.

Išteklių valdymas

Tinkamas išteklių valdymas yra būtinas norint sumažinti atminties naudojimą.

Iškraukite nenaudojamus išteklius: Iškraukite nebereikalingus išteklius, kad atlaisvintumėte atmintį.
Adresuojama išteklių sistema (Addressable Asset System - Unity): Išnaudokite adresuojamą išteklių sistemą, kad įkeltumėte ir iškrautumėte išteklius pagal poreikį, pagerindami atminties valdymą.
Srautinis išteklių perdavimas (Stream Assets): Perduokite didelius išteklius (pvz., tekstūras, garsą) srautiniu būdu iš disko, užuot įkėlę juos visus į atmintį.

Duomenų struktūrų optimizavimas

Pasirinkite tinkamas duomenų struktūras, kad sumažintumėte atminties naudojimą.

Naudokite primityvius duomenų tipus: Kur įmanoma, naudokite primityvius duomenų tipus (pvz., int, float) vietoj objektų tipų.
Venkite nereikalingų kopijų: Venkite kurti nereikalingas duomenų kopijas. Vietoj to naudokite nuorodas ar rodykles.
Naudokite duomenų suspaudimą: Suspauskite duomenis, kad sumažintumėte jų atminties pėdsaką.

Atminties profiliavimas

Naudokite atminties profiliavimo įrankius, kad nustatytumėte atminties nutekėjimus ir per didelį atminties naudojimą.

Nustatykite atminties nutekėjimus: Aptikite ir ištaisykite atminties nutekėjimus, kad išvengtumėte atminties išsekimo.
Analizuokite atminties naudojimą: Analizuokite atminties naudojimo modelius, kad nustatytumėte sritis, kuriose galima optimizuoti atmintį.

Platformai specifinis optimizavimas

Optimizavimo strategijas dažnai reikia pritaikyti konkrečioms platformoms dėl aparatinės įrangos skirtumų ir API variacijų.

Mobiliųjų įrenginių optimizavimas

Mobilieji įrenginiai turi ribotą apdorojimo galią ir atmintį, palyginti su kompiuteriais ir konsolėmis. Mobiliųjų žaidimų optimizavimui sutelkite dėmesį į šias technikas:

Sumažinkite poligonų skaičių: Naudokite žemo poligoniškumo modelius ir optimizuokite tinklelius (meshes).
Optimizuokite tekstūras: Naudokite suspaustas tekstūras ir mipmapping.
Išjunkite šešėlius: Išjunkite šešėlius arba naudokite supaprastintas šešėlių technikas.
Sumažinkite dalelių efektus: Apribokite dalelių skaičių ir optimizuokite dalelių šešėliavimo programas.
Grupuokite piešimo iškvietimus: Sumažinkite piešimo iškvietimų skaičių.
Energijos valdymas: Optimizuokite savo žaidimą, kad sumažintumėte baterijos suvartojimą.

Konsolių optimizavimas

Konsolės siūlo labiau kontroliuojamą aparatinės įrangos aplinką, tačiau optimizavimas vis dar yra svarbus siekiant pastovaus kadrų dažnio ir maksimalios vaizdo kokybės.

Išnaudokite platformai specifines API: Išnaudokite platformai specifines API atvaizdavimui, atminties valdymui ir daugiagijam programavimui.
Optimizuokite tikslinei raiškai: Optimizuokite savo žaidimą tikslinei konsolės raiškai (pvz., 1080p, 4K).
Atminties valdymas: Atidžiai valdykite atmintį, kad jos nepritrūktų.

Interneto optimizavimas

Interneto žaidimai turi būti optimizuoti greitam įkėlimo laikui ir sklandžiam veikimui naršyklėse.

Optimizuokite išteklių dydžius: Sumažinkite išteklių (pvz., tekstūrų, garso, modelių) dydį, kad sumažintumėte atsisiuntimo laiką.
Naudokite suspaudimą: Naudokite suspaudimo technikas (pvz., gzip, Brotli) žaidimo failams suspausti.
Kodo optimizavimas: Optimizuokite JavaScript kodą greitam vykdymui.
Kaupimas (Caching): Išnaudokite naršyklės kaupimą, kad sumažintumėte dažnai pasiekiamų išteklių įkėlimo laiką.

Pasauliniai aspektai

Kuriant žaidimus pasaulinei auditorijai, atsižvelkite į šiuos veiksnius:

Įrenginių įvairovė: Optimizuokite savo žaidimą plačiam įrenginių spektrui – nuo aukščiausios klasės kompiuterių iki nebrangių mobiliųjų telefonų.
Tinklo sąlygos: Kurkite žaidimą taip, kad jis būtų atsparus kintančioms tinklo sąlygoms.
Lokalizacija: Lokalizuokite savo žaidimo tekstą, garsą ir grafiką skirtingoms kalboms ir kultūroms.
Prieinamumas: Padarykite savo žaidimą prieinamą žaidėjams su negalia.

Išvada

Žaidimų optimizavimas yra nuolatinis procesas, reikalaujantis kruopštaus planavimo, analizės ir eksperimentavimo. Suprasdami našumo „butelio kakliukus“ savo žaidime ir taikydami šiame vadove aprašytas technikas, galite sukurti sklandžią, malonią ir prieinamą patirtį žaidėjams visame pasaulyje. Nepamirškite reguliariai profiliuoti savo žaidimą, tobulinti optimizavimo strategijas ir prisitaikyti prie nuolat besikeičiančios aparatinės ir programinės įrangos aplinkos. Suteikdami prioritetą našumui, galite užtikrinti, kad jūsų žaidimas pasieks visą savo potencialą ir sužavės žaidėjus visame pasaulyje.

Nuolatinis mokymasis ir naujausių optimizavimo technikų išmanymas yra raktas į sėkmę konkurencingoje žaidimų pramonėje. Priimkite iššūkį, eksperimentuokite su skirtingais požiūriais ir stenkitės suteikti geriausią įmanomą žaidimo patirtį savo žaidėjams.