Unity 内置着色器的使用与性能优化【Usage and Performance of Built-in Shaders】

Unity 中的着色器通过材质（Material）应用，材质将着色器代码与纹理、颜色等参数结合。理解着色器与材质的关系及性能影响因素，对优化项目渲染效率至关重要。以下是内置着色器的使用指南与性能分析：

一、着色器与材质的关系

1. 核心概念

   • 着色器（Shader）：定义渲染逻辑（如光照计算、纹理混合），决定材质的属性和外观。
   • 材质（Material）：着色器的实例，存储具体参数（如纹理、颜色值），同一着色器可创建多个材质。
   • Inspector 显示：材质面板显示着色器暴露的参数（如反照率、光滑度），不同着色器的参数布局不同。

2. 命名规则（旧版着色器）

   • Unity 5.0 前，部分旧版着色器的功能由路径和名称决定（如 Transparent/Diffuse），修改名称可能导致功能异常。

二、性能影响因素

着色器性能主要取决于 着色器复杂度 和 渲染路径（Rendering Path）。

1. 渲染路径的影响

• 延迟渲染（Deferred Shading）：
  • 物体仅渲染一次，光照计算在 GBuffer 中完成，适合多光源场景。
  • 支持的着色器需兼容 GBuffer（如 Standard Shader），旧版着色器可能不适用。
• 正向渲染（Forward Rendering）：
  • 像素着色器（Pixel-Lit）的性能随光源数量增加而下降：
    • 顶点光照（Vertex-Lit）：仅计算顶点光照，无论光源数量，仅渲染一次。
    • 像素光照（Pixel-Lit）：主光源 + 额外光源数 = 渲染次数（如 1 个主光源 + 3 个额外光源 = 4 次渲染）。
• 顶点光照（Vertex Lit）：
  • 性能稳定，不随光源数量变化，适合低多边形模型或移动端。

2. 着色器复杂度排序（内置着色器）

按渲染复杂度从低到高排列：

1. Unlit（无光照）：仅显示纹理，无光照计算（如 UI 元素、粒子）。
2. VertexLit（顶点光照）：简单顶点级光照，无高光（如地形草皮）。
3. Diffuse（漫反射）：基础漫反射，无高光（如砖墙）。
4. Normal Mapped（法线贴图）：增加法线贴图采样和计算（如岩石表面）。
5. Specular（高光）：添加高光计算（如塑料材质）。
6. Parallax Normal Mapped（视差法线贴图）：视差映射增加深度偏移计算（如浮雕）。
7. Anisotropic（各向异性）：模拟方向依赖的高光（如毛发、拉丝金属）。

3. 移动端简化着色器

• 路径：Mobile 类别下的着色器（如 Mobile/Diffuse）。
• 优化点：
  • 移除材质颜色 tint 功能，仅使用纹理颜色。
  • 法线贴图共享主纹理的平铺（Tiling）和偏移（Offset）。
  • 仅支持单方向光，无逐像素高光或复杂阴影。
• 适用场景：低端设备或对画质要求不高的项目，牺牲部分效果换取性能。

三、性能优化策略

1. 渲染路径选择

   • 多光源场景：优先使用延迟渲染（Deferred Shading），减少像素光照的多次渲染开销。
   • 少光源或移动端：使用正向渲染 + 顶点光照着色器（VertexLit），或限制像素光源数量（如 Unity 正向渲染默认支持 4 个像素光源）。

2. 着色器精简原则

   • 避免过度功能：
     • 非必要不使用法线贴图、高光或视差映射（如普通砖块用 Diffuse 而非 Normal Mapped）。
     • 用顶点光照（VertexLit）替代像素光照（如远距离植被）。
   • 纹理优化：
     • 减少纹理采样次数：合并多层纹理到单张图集（如反照率 + AO + 粗糙度共享 RGB 通道）。
     • 使用压缩格式：移动端用 ETC2/ATC，PC 用 BC 系列，减少内存占用。
   • 材质合并：
     • 相同着色器和参数的材质合并，减少 Draw Call（如场景中重复的石砖材质）。

3. 移动端特殊优化

   • 使用 Mobile 着色器：如 Mobile/Particles/Alpha Blended 替代标准粒子着色器，减少指令数。
   • 限制多 Pass：像素光照在移动端开销显著，尽量用烘焙光照或减少动态光源。

4. 其他技巧

   • GPU 实例化（GPU Instancing）：对重复物体（如树木、栅栏）启用实例化，减少 CPU 提交命令的开销。
   • 遮挡剔除（Occlusion Culling）：对不可见物体不渲染，减少着色器计算量。

四、典型场景性能对比

场景	着色器选择	渲染路径	光源数	性能表现
UI 界面	Unlit/UI-Default	正向渲染	0	高性能，无光照计算
低模角色（移动端）	Mobile/Diffuse	正向渲染	1（顶点光）	稳定，适合 500 面以下模型
室内场景（PC）	Standard Shader（PBR）	延迟渲染	10+	高效，光照计算集中在 GBuffer
复杂特效（如火焰）	Particles/Alpha Blended	正向渲染	1（像素光）	中等性能，需控制粒子数量

五、旧版着色器 vs. 现代着色器

特性	旧版着色器（如 Diffuse）	现代着色器（如 Standard）
光照模型	经验模型（如 Blinn-Phong）	物理基于渲染（PBR）
多光源性能	正向渲染下随光源数下降	延迟渲染下单次渲染
材质参数	分散（如高光颜色独立调整）	统一工作流（金属度 / 粗糙度）
移动端适配	需手动优化	内置 Mobile 简化版本
未来兼容性	逐步淘汰，仅兼容旧项目	支持 URP/HDRP，长期维护

六、性能分析工具

• Profiler：查看 Render.Draw 模块，定位高开销的着色器和渲染路径。
• Frame Debugger：分析每帧渲染步骤，确认像素光照的渲染次数。
• ShaderLab 性能提示：编写自定义着色器时，避免复杂数学运算（如三角函数），优先使用硬件插值。

总结

选择着色器时需平衡视觉效果与性能：

• 新项目：优先使用 Standard Shader 或 URP/HDRP 着色器，利用 PBR 工作流和现代渲染路径提升效率。
• 旧项目维护：逐步迁移旧版着色器至新标准，或使用顶点光照等轻量级选项优化性能。
• 移动端：依赖 Mobile 着色器和正向渲染，限制像素光照和复杂纹理，确保帧率稳定。

通过合理选择着色器、优化渲染路径和纹理使用，可在不同平台上实现高效且美观的渲染效果。