在Unity开发中，Shader是渲染效果的核心，但复杂的Shader往往会带来性能问题。为了在保证视觉效果的同时提升性能，Shader优化成为了我们平常必须要理解应用的一环。本文主要探讨Unity中Shader优化的策略。

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一、Shader优化的重要性

Shader是GPU执行的程序，负责计算每个像素的颜色和光照效果。复杂的Shader会导致以下问题：

• ​GPU负载过高：帧率下降，游戏卡顿。
• ​发热和耗电：移动设备性能瓶颈。
• ​渲染效率低：影响整体游戏体验。

因此，Shader优化不仅是提升性能的关键，也是保证游戏流畅运行的必要手段。

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二、Shader优化的核心策略

1. ​减少计算复杂度

• ​避免不必要的计算：在Shader中只计算真正需要的值。例如，如果不需要法线贴图，就不要计算法线相关的值。
• ​简化数学运算：使用低精度的数据类型（如half代替float），减少复杂的数学运算（如pow、sin、cos等）。
• ​分支优化：尽量避免在Shader中使用if语句，因为GPU对分支处理效率较低。可以使用step或lerp等函数替代。

​示例：​

// 不推荐
if (value > 0.5) {
    color = red;
} else {
    color = blue;
}

// 推荐
color = lerp(blue, red, step(0.5, value));

2. ​优化纹理采样

• ​减少纹理采样次数：每次纹理采样都会消耗性能，尽量减少采样次数。例如，将多个纹理合并为一张纹理（纹理图集）。
• ​使用Mipmaps：启用Mipmaps可以减少远处纹理的采样复杂度，提升性能。
• ​优化纹理格式：根据需求选择合适的纹理格式（如ETC2、ASTC），减少显存占用。

​示例：​

// 不推荐
float4 color1 = tex2D(_MainTex, uv1);
float4 color2 = tex2D(_DetailTex, uv2);

// 推荐
float4 color = tex2D(_CombinedTex, uv);

3. ​优化光照计算

• ​使用简化光照模型：在移动设备上，可以使用Lambert或Blinn-Phong等简化光照模型，而不是复杂的PBR模型。
• ​烘焙光照：将静态物体的光照信息烘焙到光照贴图中，减少实时计算。
• ​减少实时光源：尽量减少场景中的实时光源数量，使用点光源或聚光灯替代平行光。

​示例：​

// 不推荐（复杂PBR）
float3 brdf = CalculateBRDF(normal, viewDir, lightDir);

// 推荐（简化Blinn-Phong）
float3 diffuse = max(dot(normal, lightDir), 0.0) * _LightColor;
float3 specular = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0.0), _Gloss) * _SpecularColor;

4. ​减少顶点着色器计算

• ​将计算移到片段着色器：如果某些计算在顶点着色器和片段着色器中重复，可以将它们移到片段着色器中，减少顶点着色器的负载。
• ​优化顶点数据：减少顶点数据的数量，例如使用压缩的顶点格式。

​示例：​

// 不推荐（在顶点着色器中计算光照）
v2f vert(appdata v) {
    v2f o;
    o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
    o.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
    o.lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - o.worldPos);
    return o;
}

// 推荐（在片段着色器中计算光照）
v2f vert(appdata v) {
    v2f o;
    o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
    o.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
    return o;
}

5. ​使用Shader变体

• ​减少变体数量：使用#pragma multi_compile或#pragma shader_feature生成多个Shader变体，避免不必要的功能启用。
• ​剔除无用变体：在Shader中根据平台或功能需求，剔除无用的变体。

​示例：​

#pragma multi_compile _ _USE_DETAIL
#ifdef _USE_DETAIL
    float4 detailColor = tex2D(_DetailTex, uv);
    color *= detailColor;
#endif

6. ​使用GPU Instancing

• ​减少Draw Call：对于大量相同的物体，使用GPU Instancing可以减少Draw Call，提升性能。
• ​优化材质设置：启用Enable GPU Instancing选项，确保材质支持实例化。

​示例：​

#pragma multi_compile_instancing
UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)
UNITY_DEFINE_INSTANCED_PROP(float4, _Color)
UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)

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三、工具与调试

1. ​Frame Debugger

• 使用Unity的Frame Debugger分析每一帧的渲染过程，找出性能瓶颈。

2. ​Shader性能分析

• 使用工具（如RenderDoc、Xcode GPU Frame Capture）分析Shader的性能。

3. ​Profiler

• 使用Unity Profiler监控GPU和CPU的负载，定位性能问题。