Unity3D 着色器优化（Shader Optimization）

前言

Unity3D 着色器（Shader）优化是提升渲染性能的关键环节，尤其是在移动设备或复杂场景中。以下是系统的优化策略和实践建议：

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1. 减少计算复杂度

• 简化数学运算：
  • 优先使用 mad（乘加）指令代替单独的乘法和加法。
  • 避免复杂函数（如 sin, pow, exp），改用近似计算或查值纹理（Lookup Texture）。
  • 利用向量化操作（如 float3 代替逐分量计算）。

• 移动计算到更早的阶段：
  • 在顶点着色器中计算非高精度需求的值（如法线、光照方向），通过插值传递给片元着色器。
  • 避免在片元着色器中重复计算相同值，使用 v2f 结构传递预计算数据。

• 分支语句优化：
  • 尽量避免 if/else 分支（尤其在移动端），使用 step() 或 lerp() 函数代替。
  • 若必须分支，尽量保证同一像素块内的线程执行相同路径（避免发散）。

2. 纹理与采样优化

• 减少纹理采样次数：
  • 合并纹理通道（如将金属度、光滑度打包到单张纹理的RGBA通道）。
  • 使用纹理图集（Texture Atlas）减少切换纹理的开销。

• 优化纹理格式：
  • 使用压缩格式（如ASTC、ETC2）减少内存带宽占用。
  • 避免过大的纹理尺寸，合理使用 Mipmap 减少远处像素的采样开销。

• 采样器优化：
  • 使用 linear 或 point 滤波代替高开销的 trilinear。
  • 关闭不必要的纹理属性（如 Generate Mipmaps 若不需要）。

3. 光照与阴影优化

• 简化光照模型：
  • 移动端使用 Lambert 或 Blinn-Phong 代替 PBR（若视觉可接受）。
  • 预烘焙静态光照（Baked Lightmaps）减少实时计算。

• 阴影优化：
  • 降低阴影分辨率（Shadow Resolution）或使用级联阴影（Cascaded Shadows）的优化配置。
  • 使用 Soft Shadows 仅在必要时启用。

4. Shader变体管理

• 减少变体数量：
  • 使用 shader_feature 替代 multi_compile 避免生成未使用的变体。
  • 合并功能相近的关键字，如通过 #pragma multi_compile_fog 统一管理雾效。

• 剔除无用变体：
  • 在 Shader 代码中使用 #ifdef 条件编译剔除不需要的功能模块。

5. 平台针对性优化

• 移动端（GLES/Vulkan）：
  • 使用 half 或 fixed 代替 float 精度（避免高精度计算）。
  • 禁用 Alpha Test 减少 Overdraw，或改用 Alpha Blend 但要排序渲染顺序。
  • 避免使用 discard 操作（可能打断 GPU 的 Tile-Based Rendering）。

• PC/主机端：
  • 利用 Compute Shader 或 Geometry Shader 处理复杂计算（需硬件支持）。
  • 启用 GPU Instancing 减少 Draw Call（尤其适用于大量重复物体）。

6. 工具与调试

• 性能分析工具：
  • Unity Profiler：检查 GPU Usage 和 SetPass Calls。
  • Frame Debugger：逐帧分析渲染流程和 Shader 开销。
  • RenderDoc：深入分析 GPU 指令和纹理/缓冲区使用。

• Shader LOD：
  • 为不同距离的物体设置不同复杂度的 Shader（通过 LOD 指令）。

SubShader {
    LOD 200 // 高复杂度
    // ...
}
SubShader {
    LOD 100 // 低复杂度
    // ...
}

7. 其他高级技巧

• 预计算与缓存：
  • 使用 Light Probes 或 Reflection Probes 缓存环境光照。
  • 预计算复杂数学运算（如将菲涅尔项存储到纹理）。

• GPU Instancing：
  • 对相同材质的物体启用 Instancing，减少 CPU 到 GPU 的数据传输。

#pragma multi_compile_instancing
UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)
    // 声明实例化属性
UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)

• SRP Batcher：
  • 在 URP/HDRP 中启用 SRP Batcher，减少材质切换开销。

总结检查表

1. 是否移除了冗余计算和纹理采样？
2. 是否合理降低了数学运算精度？
3. 是否启用了 Instancing 或 SRP Batcher？
4. 是否管理了 Shader 变体数量？
5. 是否针对目标平台（如移动端）做了特殊优化？
6. 是否通过工具验证了优化效果？

通过逐步应用上述策略，并结合实际性能分析，可显著降低 Shader 的开销，同时保持视觉质量。

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Unity3D​www.bycwedu.com/promotion_channels/2146264125