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
fixed	12 位	简单颜色运算、布尔值	旧版移动 GPU（如 OpenGL ES 2.0）
half	16 位	纹理坐标、向量运算	现代移动 GPU（Metal/OpenGL ES 3.0+）
float	32 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）。

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  half2 uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex); // 半精度足够  
  

• 颜色值：非 HDR 场景使用fixed4或half4。

  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：pow、sin、sqrt等函数在移动 GPU 上开销较大。
• 优化方案：
  • 用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dot、normalize）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max、step函数）。

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  // 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。

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  #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）。

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  #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。

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  #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。

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  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half和fixed，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。