Shader编写指南(六十): Shader运行时性能优化

不同平台的 GPU 性能差异显著(如高端 PC GPU 与低端移动 GPU),为确保游戏在各类设备上流畅运行,需针对性优化着色器,减少计算量和纹理读取。以下是关键优化策略及实践建议:

一、按需计算,避免冗余操作

1. 精简计算逻辑
  • 移除无效参数:若材质属性(如颜色)始终为固定值,直接在着色器中硬编码,避免动态计算。

    hlsl

    // 反例:始终使用白色,仍从材质获取颜色  
    fixed4 color = _MainColor;  
    // 优化:直接赋值  
    fixed4 color = fixed4(1, 1, 1, 1);  
    
  • 减少计算频率:将可在顶点阶段完成的计算(如世界坐标转换)移至顶点着色器,避免片元着色器重复计算。

    hlsl

    // 顶点着色器计算世界坐标并插值  
    void vert(inout appdata v, out v2f o) {  
        o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; // 仅计算一次  
        // ...  
    }  
    // 片元着色器直接使用插值结果  
    float3 worldPos = i.worldPos;  
    
2. 优先顶点着色器计算
  • 适用场景:光照衰减、雾效参数等可通过顶点插值的计算。

    hlsl

    // 顶点着色器计算雾效因子  
    void vert(...) {  
        float fogFactor = saturate((_FogStart - i.worldPos.y) / _FogRange);  
        o.fogFactor = fogFactor; // 插值到片元着色器  
    }  
    // 片元着色器直接使用插值后的雾效因子  
    float3 color = lerp(color, _FogColor, i.fogFactor);  
    

二、合理选择数据精度

1. 精度类型与平台适配
类型精度适用场景平台特性
fixed12 位简单颜色运算、布尔值旧版移动 GPU(如 OpenGL ES 2.0)
half16 位纹理坐标、向量运算现代移动 GPU(Metal/OpenGL ES 3.0+)
float32 位世界坐标、矩阵运算PC / 主机 GPU,或需要高精度的移动场景
2. 优化示例
  • 纹理坐标:使用half2替代float2(移动端)。

    hlsl

    half2 uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex); // 半精度足够  
    
  • 颜色值:非 HDR 场景使用fixed4half4

    hlsl

    fixed4 color = tex2D(_MainTex, uv); // 固定精度存储颜色  
    

三、规避高成本数学运算

1. 替代 transcendental 函数
  • 避免使用powsinsqrt等函数在移动 GPU 上开销较大。
  • 优化方案
    • lerp替代pow实现简单插值(如边缘光)。
    • 使用查找纹理(Lookup Texture)预处理复杂函数结果(如噪声纹理替代sin计算)。
2. 优先内置函数
  • 使用 Unity 内置函数(如dotnormalize)而非手动实现,编译器会自动生成高效代码。

    hlsl

    // 推荐:内置归一化函数  
    float3 normal = normalize(v.normal);  
    // 避免:手动计算归一化(需平方根)  
    float3 normal = v.normal / length(v.normal);  
    
3. 减少分支判断
  • 问题if-else分支会导致 GPU 管线串行化,尤其在片元着色器中影响显著。
  • 优化:用数学运算替代分支(如maxstep函数)。

    hlsl

    // 反例:分支判断  
    float intensity = lightDir > 0 ? lightDir : 0;  
    // 优化:使用saturate  
    float intensity = saturate(lightDir);  
    

四、Surface Shader 专项优化

1. 指令优化
  • approxview:对依赖视角的着色器(如高光),在顶点阶段归一化视角方向,减少片元计算。

    hlsl

    #pragma surface surf BlinnPhong approxview // 顶点级视角方向  
    
  • halfasview:将半角向量(Half Vector)计算移至顶点阶段,进一步提升高光性能。

    hlsl

    #pragma surface surf BlinnPhong halfasview // 顶点级半角向量  
    
  • noforwardadd:禁用前向渲染中的额外光源通道,仅支持 1 个主光源(其余为顶点光或 SH 光照)。

    hlsl

    #pragma surface surf Lambert noforwardadd // 简化前向渲染路径  
    
2. 禁用不必要特性
  • noambient:关闭环境光和球面调和光照(SH),适用于无全局光照的场景。

    hlsl

    #pragma surface surf Lambert noambient // 禁用环境光  
    

五、纹理与渲染优化

1. 纹理采样优化
  • 压缩格式:移动端使用 ETC2(Android)或 ASTC(iOS)压缩纹理,减少带宽消耗。
  • Mipmap:启用纹理 Mipmap,利用tex2Dlod或自动 LOD 减少高频采样。

    hlsl

    float4 color = tex2Dlod(_MainTex, float4(uv, 0, 0)); // 显式指定LOD  
    
  • 图集与数组:合并多张纹理为图集或纹理数组,减少tex2D调用次数。
2. 避免过度渲染
  • Alpha 测试
    • 对 PowerVR GPU(iOS / 部分 Android),clip()开销较高,尽量用透明度混合(Blend)替代。
    • 必须使用时,确保测试条件简单(如单通道阈值)。
  • ColorMask:非必要时避免屏蔽颜色通道(如ColorMask RGB),部分移动 GPU 对此优化不足。

六、平台特定优化策略

1. 移动端(iOS/Android)
  • 精度优先:默认使用halffixed,仅在必要时提升为float
  • 减少片元计算:将复杂光照逻辑移至顶点着色器或 CPU(如预计算光照贴图)。
  • 避免特性滥用:禁用曲面细分、几何着色器等高端特性,使用#pragma target 3.0限制 Shader Model 版本。
2. PC / 主机
  • 延迟渲染:多光源场景使用延迟渲染(Deferred Rendering),将光照计算移至 GBuffer 阶段。
  • 计算着色器:利用#pragma kernel offload 并行计算(如粒子模拟、布料物理)。

七、性能分析与验证

  1. 工具链
    • Unity Profiler:定位 GPU 瓶颈(如Gfx.WaitForPresent表示渲染耗时)。
    • RenderDoc/PIX:捕获着色器指令数、寄存器使用情况,识别低效代码。
  2. 测试流程
    • 在目标设备(尤其是低端机型)上实测,避免仅依赖开发机性能。
    • 对比优化前后的 FPS 变化,确保优化未引入视觉失真(如精度损失导致的闪烁)。

总结:优化 Checklist

优化方向具体措施
计算逻辑移除无效参数,顶点阶段预处理可插值数据。
数据精度移动端用half/fixed,PC 默认float,避免过度精度。
数学运算替代pow/sin等函数,用内置函数和查找纹理。
Surface Shader使用approxview/noforwardadd等指令,禁用冗余特性。
纹理与采样使用压缩纹理、Mipmap、图集,减少采样次数。
平台适配移动端规避 Alpha 测试和复杂分支,PC 利用延迟渲染和计算着色器。

通过系统性优化,可在保持视觉效果的前提下显著提升着色器性能,确保游戏在不同设备上的流畅运行。

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