praca_magisterska/latex/tex/narzedzia-profilowania.tex

\clearpage
\section{Narzędzia profilowania wydajności}
\label{sec:narzedzia-profilowania}


\label{subsec:wbudowane-narzedzia}

Zarówno Unity, jak i~Unreal Engine oferują własne, wbudowane narzędzia do analizy wydajności. Każde z~nich posiada unikalne cechy dostosowane do specyfiki danego silnika.


Unity dostarcza rozbudowany profiler dostępny bezpośrednio w~edytorze \\ (Window $\rightarrow$ Analysis $\rightarrow$ Profiler)~\cite{unity_profiler}. \\ Narzędzie to oferuje:

\begin{itemize}
    \item \textbf{CPU Profiler} -- analiza czasu wykonania poszczególnych funkcji, z podziałem na kategorie (rendering, skrypty, fizyka, animacje)
    \item \textbf{GPU Profiler} -- pomiar czasu renderowania na karcie graficznej
    \item \textbf{Memory Profiler} -- szczegółowa analiza alokacji pamięci, wykrywanie wycieków
    \item \textbf{Audio Profiler} -- monitorowanie obciążenia systemu dźwiękowego
    \item \textbf{Physics Profiler} -- analiza wydajności silnika fizyki
    \item \textbf{Frame Debugger} -- krokowa analiza procesu renderowania \\ pojedynczej klatki
\end{itemize}

Unity Profiler umożliwia również zdalne profilowanie aplikacji uruchomionej na urządzeniu 
docelowym (np.~smartfonie), co jest szczególnie przydatne przy optymalizacji gier mobilnych.

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.9\textwidth]{tex/img/unity_profiler.png}
    \caption{Interfejs Unity Profiler z~widokiem analizy wydajności CPU i~GPU.}
    \label{fig:unity-profiler}
\end{figure}


Unreal Engine oferuje narzędzie Unreal Insights, które zastąpiło starszy system 
Session Frontend~\cite{unreal_insights}. Kluczowe funkcjonalności obejmują:

\begin{itemize}
    \item \textbf{Timing Insights} -- precyzyjny pomiar czasu wykonania poszczególnych systemów silnika
    \item \textbf{Asset Loading Insights} -- analiza czasu ładowania zasobów
    \item \textbf{Memory Insights} -- monitorowanie alokacji i~dealokacji pamięci
    \item \textbf{Animation Insights} -- profilowanie systemu animacji
    \item \textbf{Network Insights} -- analiza ruchu sieciowego w~grach multiplayer
\end{itemize}

Dodatkowo Unreal Engine udostępnia komendy konsolowe \\ 
(np.~\texttt{stat fps}, \texttt{stat unit}, \texttt{stat gpu}) pozwalające na szybki \\ 
podgląd podstawowych metryk wydajności podczas \\ rozgrywki~\cite{unreal_docs}.

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.8\textwidth]{tex/img/unreal_profiler.png}
    \caption{Interfejs Unreal Insights z~widokiem analizy wydajności.}
    \label{fig:unreal-profiler}
\end{figure}


Pomimo rozbudowanych możliwości, wbudowane profilery silników posiadają istotne ograniczenia 
w~kontekście porównawczych badań wydajnościowych:

\begin{enumerate}
    \item \textbf{Brak standaryzacji metryk} -- każdy silnik definiuje i~mierzy parametry 
    w~odmienny sposób, co utrudnia bezpośrednie porównania
    \item \textbf{Różna granularność danych} -- poziom szczegółowości raportów różni się \\ między silnikami
    \item \textbf{Narzut profilowania} -- wbudowane profilery same generują \\ obciążenie, które może być różne dla każdego silnika
    \item \textbf{Nieporównywalność formatów wyjściowych} -- dane \\ eksportowane przez różne profilery mają odmienne struktury
\end{enumerate}

Z~powyższych powodów zdecydowano się na zastosowanie zewnętrznego, niezależnego od silnika narzędzia profilowania.

\subsection{NVIDIA Nsight Graphics}
\label{subsec:nvidia-nsight}

NVIDIA Nsight Graphics to narzędzie do profilowania i~debugowania
aplikacji graficznych, oferujące wgląd w~działanie GPU
niezależnie od używanego silnika czy API graficznego~\cite{nvidia_nsight}.

\begin{figure}[H]
    \centering
    \includegraphics[width=0.9\textwidth]{tex/img/nvidia_nsight.jpg}
    \caption{Interfejs NVIDIA Nsight Graphics z~widokiem analizy GPU.}
    \label{fig:nvidia-nsight}
\end{figure}


Wybór NVIDIA Nsight jako głównego narzędzia pomiarowego podyktowany
był następującymi czynnikami:

\begin{itemize}
    \item \textbf{Niezależność od silnika} -- Nsight analizuje aplikację na poziomie wywołań API graficznego (DirectX, Vulkan, OpenGL), co zapewnia porównywalność wyników między Unity a~Unreal Engine
    \item \textbf{Standaryzowane metryki} -- narzędzie dostarcza zunifikowany zestaw metryk sprzętowych (GPU utilization, memory bandwidth, shader throughput)
    \item \textbf{Minimalny narzut} -- profilowanie na poziomie sterownika generuje mniejsze zakłócenia niż profilery działające wewnątrz silnika
    \item \textbf{Dostęp do danych niskopoziomowych} -- możliwość analizy \\ poszczególnych wywołań draw call, shaderów, transferów pamięci
    \item \textbf{Spójny format danych} -- wyniki z~obu silników mają identyczną strukturę, co ułatwia automatyzację analizy
\end{itemize}


NVIDIA Nsight Graphics oferuje szereg funkcjonalności istotnych dla badań wydajnościowych:
Główny moduł analizy wydajności, umożliwiający:
\begin{itemize}
    \item Przechwycenie i~analizę pojedynczej klatki (frame capture)
    \item Hierarchiczny widok wszystkich wywołań GPU
    \item Pomiar czasu wykonania każdego etapu renderowania
    \item Identyfikację wąskich gardeł (bottlenecks)
    \item Analizę wykorzystania jednostek obliczeniowych GPU
\end{itemize}

Moduł do długoterminowej analizy wydajności:
\begin{itemize}
    \item Rejestrowanie metryk przez określony czas (nie tylko pojedyncza klatka)
    \item Wykrywanie spadków wydajności i~ich przyczyn
    \item Analiza zmienności czasów klatek (frame time variance)
    \item Korelacja obciążenia GPU z~wydarzeniami w~grze
\end{itemize}

Narzędzie do optymalizacji shaderów:
\begin{itemize}
    \item Analiza wydajności poszczególnych shaderów
    \item Identyfikacja nieefektywnych instrukcji
    \item Pomiar occupancy (wykorzystania jednostek obliczeniowych)
\end{itemize}

\subsection{Przetwarzanie danych z~Nsight}
\label{subsec:przetwarzanie-nsight}

Dane zebrane przez NVIDIA Nsight wymagają odpowiedniego przetworzenia w~celu uzyskania porównywalnych metryk.


Nsight umożliwia eksport danych w~kilku formatach:
\begin{itemize}
    \item \textbf{CSV} -- tabularyczne dane liczbowe
    \item \textbf{JSON} -- strukturalne dane z~pełną hierarchią wywołań
    \item \textbf{HTML Report} -- graficzny raport z~wykresami
\end{itemize}

W~niniejszej pracy wykorzystano format CSV ze względu na łatwość importu do narzędzi analizy statystycznej.


Z~danych eksportowanych przez Nsight wyodrębniono następujące metryki:

\begin{table}[H]
\centering
\caption{Kluczowe metryki wydajnościowe z~NVIDIA Nsight}
\label{tab:metryki-nsight}
\begin{tabular}{|>{\raggedright\arraybackslash}p{4cm}|>{\raggedright\arraybackslash}p{3cm}|>{\raggedright\arraybackslash}p{5.5cm}|}
\hline
\textbf{Metryka} & \textbf{Jednostka} & \textbf{Opis} \\
\hline
Frame Time & ms & Całkowity czas renderowania klatki \\
\hline
GPU Duration & ms & Czas pracy GPU (bez CPU overhead) \\
\hline
Draw Calls & liczba & Ilość wywołań rysowania na klatkę \\
\hline
Triangles Rendered & liczba & Liczba wyrenderowanych trójkątów \\
\hline
GPU Memory Used & MB & Zużycie pamięci VRAM \\
\hline
SM Occupancy & \% & Wykorzystanie jednostek obliczeniowych \\
\hline
Memory Bandwidth & GB/s & Przepustowość pamięci GPU \\
\hline
\end{tabular}
\end{table}

\subsection{Podsumowanie wyboru narzędzi}
\label{subsec:podsumowanie-narzedzi}

Zastosowanie NVIDIA Nsight jako głównego narzędzia profilowania zapewnia:

\begin{enumerate}
    \item \textbf{Obiektywność} -- pomiary wykonywane na tym samym poziomie abstrakcji dla obu silników
    \item \textbf{Porównywalność} -- identyczne metryki i~format danych
    \item \textbf{Powtarzalność} -- standaryzowana procedura pomiarowa
\end{enumerate}