67.GPU影响因素之顶点和片元

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  1. 67.性能优化-GPU-影响因素-顶点和片元
    1. 67.1 知识点
      1. 顶点和片元的基本概念
        1. 顶点
        2. 片元
        3. 通俗理解
      2. 为什么顶点和片元会影响性能
        1. 顶点方面
        2. 片元方面
      3. 顶点和片元的优化思路
        1. 顶点优化
        2. 片元优化
      4. 注意事项
    2. 67.2 知识点代码
      1. Lesson67_性能优化_GPU_影响因素_片元和顶点.cs

67.性能优化-GPU-影响因素-顶点和片元

67.1 知识点

顶点和片元的基本概念

顶点

顶点一般指模型的几何数据，是组成三角形网格的点。
一个 3D 模型实际上就是由很多三角形拼接而成的，而三角形的角就是顶点。

作用：
是网格的框架点，决定了模型的形状。

着色器阶段：
一般会在着色器中的顶点着色器中进行处理和计算。

顶点着色器主要任务：

  1. 将模型空间的顶点转换到裁剪空间、屏幕空间。
  2. 把需要的数据（UV、法线、颜色等）传递给片元阶段。

片元

片元一般指光栅化阶段产生的、候选的像素点。
当三角形被投影到屏幕后，会覆盖一片像素区域。每个像素位置对应一个片元，GPU 会为它准备一份数据（位置、UV、颜色等）。

作用：
决定屏幕上每个像素的最终颜色。

着色器阶段：
一般会在着色器中的片元着色器中进行处理和计算。

片元着色器主要任务：

  1. 计算像素颜色（光照、材质、纹理采样）。
  2. 执行深度测试、混合、透明处理。
  3. 最终写入帧缓冲，形成屏幕像素。

通俗理解

  • 顶点：就像建房子的”钢筋骨架”。
  • 片元：就是把框架之间的”砖块”一块块填上。

GPU 渲染时：先有骨架（顶点），再填满砖块（片元），最后变成完整画面。

为什么顶点和片元会影响性能

顶点方面

由于顶点数据需要进行计算，以下因素会影响性能开销：

  1. 模型的顶点数越多，计算量越大
    • 高顶点数模型，如未优化的高模、过密网格。
    • 复杂骨骼蒙皮，需要大量骨骼权重计算。
  2. 复杂的顶点着色器逻辑会放大开销
    比如顶点动画（流体波动、噪声扰动、形变等）。

片元方面

由于片元数据需要进行计算，以下因素会影响性能开销：

  1. 分辨率和覆盖率
    片元数直接与屏幕分辨率和绘制面积成正比。
    • 屏幕分辨率越高，片元数就越多，计算消耗就越大。
    • 全屏效果（后处理、屏幕空间特效）通常直接消耗片元性能。
  2. 过度绘制（OverDraw）
    一个像素被多个物体反复覆盖计算。
  3. 高开销片元运算
    复杂的片元着色器逻辑（多层纹理采样、分支、循环、PBR、阴影采样、SSR、体积雾、全屏后处理）非常吃性能。

顶点和片元的优化思路

顶点优化

顶点的主要优化思路就是从本质上减少顶点以及顶点相关的计算。

1. 降低顶点数

  • LOD：根据距离切换不同精度的模型。
  • 网格简化：减少不必要的顶点。
  • 优化远距离对象：使用 Impostor（替身）技术，包括：
    • Billboard（广告牌）
    • 多角度烘焙（在球面或半球面上采样多个角度，把结果打包到一张大纹理图集）
    • Octahedral Impostor（八面体编码，把球面角度映射到 2D 纹理，通过一种高效编码方式存储多角度外观）

2. 蒙皮优化
减少骨骼数量、减少顶点权重、合并骨骼等。

3. 顶点动画
把复杂的程序形变改为 VAT（顶点动画纹理），能贴图查表就别每帧算噪声。

VAT（Vertex Animation Texture，顶点动画纹理）：把复杂的顶点动画（顶点位置/法线随时间变化）预先烘焙进贴图里，在运行时通过 Shader 从贴图中查表来驱动顶点，而不是实时在 CPU 或 GPU 上做骨骼/物理计算。

4. 顶点着色器输出精简
减少 v2f 里插值数（TEXCOORD 通道），避免为片元传一堆用不到的数据。

5. 顶点着色器精度和数学

  • 移动端着色器中数值类型尽量用 half。
  • 避免大量 sin / cos / pow。
  • 能自己写计算过程，就别调用自带的一些高开销函数，比如：pow(x, 2.0) → x * x。
  • 把复杂函数结果预计算在纹理里，运行时只采样。

6. 合批处理
使用各批处理技术，减少 DrawCall。

7. 剔除先于变换
使用遮挡剔除、视锥剔除，减少要处理的内容。

片元优化

片元的主要优化思路就是从本质上减少片元以及片元相关的计算。

1. 降低分辨率
动态分辨率、注视点渲染等。

2. 降低片元工作量

  • 尽量减少纹理采样次数与层数（合并贴图通道、使用贴图图集）。
  • 片元着色器中减少循环/分支语法的使用。
  • 把复杂函数结果预计算在纹理里，运行时只采样。
  • 减少 OverDraw。

3. 减少全屏 Pass

  • 屏幕后处理中，能半分辨率就半分辨率。
  • 将多种屏幕后处理效果合并在一个 Pass 中处理。

4. 避免 Early-Z（提前深度测试）失效
比如透明测试就会导致其失效。

5. Shader 分支收敛
尽量不要使用 if / else 语法，可以用一些函数替代。

// 原始分支写法
if (mask > 0.5) color = a; else color = b;

// 用插值函数替代
color = lerp(b, a, step(0.5, mask));

6. 光照和阴影
降低光照和阴影质量，光照能用逐顶点就别用逐片元。

7. 合理使用 Mipmap 功能

注意事项

在开发时注意这些优化点，可以减少性能问题的发生。
当发生性能问题时，先定位问题再针对性解决问题，结合性能分析窗口、帧调试窗口来分析定位问题，不要凭感觉。

67.2 知识点代码

Lesson67_性能优化_GPU_影响因素_片元和顶点.cs

public class Lesson67_性能优化_GPU_影响因素_片元和顶点
{
    #region 知识点一 顶点和片元的基本概念

    //顶点和片元如果单独理解

    #region 顶点

    //一般指模型的几何数据，是组成三角形网格的点
    //一个 3D 模型实际上就是由很多三角形拼接而成的，而三角形的角就是顶点

    //作用：
    //是网格的框架点，决定了模型的形状

    //着色器阶段：
    //一般会在着色器中的 顶点着色器 中进行处理和计算

    //顶点着色器 主要任务
    //1.将模型空间的顶点转换到裁剪空间、屏幕空间
    //2.把需要的数据（UV、法线、颜色等）传递给片元阶段

    #endregion

    #region 片元

    //一般指光栅化阶段产生的、候选的像素点
    //当三角形被投影到屏幕后，会覆盖一片像素区域
    //每个像素位置对应一个片元，GPU 会为它准备一份数据（位置、UV、颜色等）

    //作用：
    //决定屏幕上每个像素的最终颜色

    //着色器阶段：
    //一般会在着色器中的 片元着色器 中进行处理和计算

    //主要任务
    //1.计算像素颜色（光照、材质、纹理采样）
    //2.执行深度测试、混合、透明处理
    //3.最终写入帧缓冲，形成屏幕像素

    #endregion

    //说人话
    //顶点：就像建房子的"钢筋骨架"。
    //片元：就是把框架之间的"砖块"一块块填上
    //GPU渲染时:
    //先有骨架（顶点）
    //再填满砖块（片元）
    //最后变成完整画面

    #endregion

    #region 知识点二 为什么顶点和片元会影响性能

    //顶点：
    //由于顶点数据需要进行计算
    //因此以下因素会影响性能开销
    //1.模型的顶点数越多，计算量越大
    //  1-1.高顶点数模型，如未优化的高模、过密网格
    //  1-2.复杂骨骼蒙皮，需要大量骨骼权重计算
    //2.复杂的顶点着色器逻辑会放大开销
    //  比如顶点动画(流体波动、噪声扰动、形变等等)

    //片元：
    //由于片元数据需要进行计算
    //因此以下因素会影响性能开销
    //1.分辨率和覆盖率
    //  片元数直接与屏幕分辨率和绘制面积成正比
    //  1-1.屏幕分辨率越高，片元数就越多，那么计算消耗就越大
    //  1-2.全屏效果（后处理、屏幕空间特效）通常直接消耗片元性能
    //2.过度绘制（Overdraw）
    //  一个像素被多个物体反复覆盖计算
    //3.高开销片元运算
    //  复杂的片元着色器逻辑（多层纹理采样、分支、循环、PBR、阴影采样、SSR、体积雾、全屏后处理）
    //  非常吃性能

    #endregion

    #region 知识点三 顶点和片元的优化思路

    //顶点的主要优化思路就是
    //从本质上减少顶点以及顶点相关的计算
    //1.降低顶点数
    //  1-1.LOD
    //  1-2.网格简化
    //  1-3.优化远距离对象(用Impostor（替身）技术)
    //      Billboard(广告牌)
    //      多角度烘焙（在球面或半球面上采样多个角度，把结果打包到一张大纹理图集）
    //      Octahedral Impostor（八面体编码，把球面角度映射到 2D 纹理，通过一种高效编码方式存储多角度外观）
    //2.蒙皮优化
    //  减少骨骼数量、减少顶点权重、合并骨骼等
    //3.顶点动画
    //  把复杂的程序形变改为VAT（顶点动画纹理）
    //  能贴图查表就别每帧算噪声
    //  VAT（顶点动画纹理）:
    //  把复杂的顶点动画（顶点位置/法线随时间变化）预先烘焙进贴图里
    //  在运行时通过 Shader 从贴图中查表来驱动顶点
    //  而不是实时在 CPU 或 GPU 上做骨骼/物理计算
    //4.顶点着色器输出精简
    //  减少 v2f 里插值数（TEXCOORD 通道），避免为片元传一堆用不到的数据
    //5.顶点着色器精度和数学
    //  移动端着色器中数值类型尽量用 half
    //  避免大量 sin/cos/pow
    //  能自己写计算过程，就别调用自带的一些高开销函数，比如：pow(x,2.0) → x*x
    //  把复杂函数结果预计算在纹理里，运行时只采样
    //6.合批处理
    //  使用各批处理技术，减少DrawCall
    //7.剔除先于变换
    //  使用遮挡剔除、视锥剔除，减少要处理的内容
    //等等

    //片元的主要优化思路就是
    //从本质上减少片元以及片元相关的计算
    //1.降低分辨率
    //  动态分辨率、注视点渲染等
    //2.降低片元工作量
    //  尽量减少纹理采样次数与层数（合并贴图通道、使用贴图图集）
    //  片元着色器中减少循环/分支语法的使用
    //  把复杂函数结果预计算在纹理里，运行时只采样
    //  减少OverDraw
    //3.减少全屏Pass
    //  屏幕后处理中，能半分辨率就半分辨率
    //  将多种屏幕后处理效果合并在一个Pass中处理
    //4.避免 Early-Z (提前深度测试)失效
    //  比如透明测试就会导致其失效
    //5.Shader 分支收敛
    //  尽量不要使用if/else语法，可以用一些函数替代
    //  比如
    //  if (mask > 0.5) color = a; else color = b;
    //  用插值函数替代
    //  color = lerp(b, a, step(0.5, mask))
    //6.光照和阴影
    //  降低光照和阴影质量，光照能用逐顶点就别用逐片元
    //7.合理使用Mipmap功能
    //等等

    #endregion

    #region 注意事项

    //在开发时注意这些优化点
    //可以减少性能问题的发生
    //当发生性能问题时先定位问题再针对性解决问题
    //结合性能分析窗口、帧调试窗口来分析定位问题，不要凭感觉

    #endregion
}
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