🎮 Unity GPU 渲染优化完全手册：从 DrawCall 到 Shader 的性能飞跃

💡 GPU 优化的价值：

  • DrawCall 居高不下，帧率提不上来？
  • OverDraw 太严重，GPU 压力过大？
  • 想优化 Shader，却不知从何入手？
  • 移动平台优化有哪些特殊注意事项？

这篇文章！ 将系统讲解 Unity GPU 优化技术，从渲染管线到着色器，让画面更流畅！

一、GPU 性能瓶颈分析

1.1 GPU 瓶颈类型

瓶颈类型 特征 检测方法
像素填充受限 分辨率高、OverDraw 严重 Frame Debugger / RenderDoc
顶点处理受限 顶点数多、复杂几何体 减少顶点数测试
带宽受限 纹理采样多、高分辨率纹理 降低纹理分辨率测试
算力受限 复杂着色器计算 简化 Shader 测试 
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    GPU 渲染管线瓶颈定位                                 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                         │
│  应用阶段            几何阶段           光栅化阶段        像素处理阶段   │
│  ┌─────────┐       ┌─────────┐       ┌─────────┐      ┌─────────┐    │
│  │ CPU     │──────>│ 顶点着色 │──────>│ 裁剪/   │─────>│ 像素着色 │    │
│  │ 准备数据 │       │   器    │       │ 透视除法│      │   器    │    │
│  └─────────┘       └─────────┘       └─────────┘      └─────────┘    │
│       │                 │                 │                 │         │
│       ▼                 ▼                 ▼                 ▼         │
│   Draw Calls        顶点数量           图元数量        像素填充率      │
│   合批优化          LOD 优化          裁剪优化        OverDown 优化    │
│                                                                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

1.2 性能分析工具

工具 平台 用途
Unity Profiler 全平台 整体性能分析
Frame Debugger Editor 单帧渲染分析
RenderDoc Desktop 详细 GPU 分析
Xcode Instruments iOS GPU Driver / Tiler
Snapdragon Profiler Android Adreno GPU 分析
Mali Graphics Debugger Android Mali GPU 分析

二、DrawCall 优化

2.1 DrawCall 原理

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单个 DrawCall 的开销:
┌─────────────┬─────────────┬─────────────┬─────────────┐
│  CPU 准备   │  数据传输   │  GPU 状态   │  渲染执行   │
│  渲染状态   │  到 GPU     │  切换       │             │
└─────────────┴─────────────┴─────────────┴─────────────┘
     ↑                 ↑                ↑
  [固定开销]      [带宽开销]       [状态切换开销]

2.2 合批技术

技术 原理 适用场景 限制
Static Batch 运行前合并静态几何体 不移动的场景物体 内存增加
Dynamic Batch 运行时合并小网格 <900顶点的动态物体 顶点数限制
GPU Instancing 单次绘制多实例 相同材质的重复物体 需要 Shader 支持
SRP Batcher 按Shader变体分组 可编程渲染管线 Shader 兼容性

2.3 Static Batching

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// ✅ 设置静态标志
gameObject.isStatic = true;

// 或在 Inspector 中勾选 Static

// 运行时 Static Batching:
// Editor: Build Player 时自动合并
// Runtime: StaticBatchingUtility.CombineRoots(combined);
优点 缺点
大幅减少 DC 内存增加 (合并多份网格)
运行时无开销 不适合动态物体
跨平台兼容 合并后无法单独移动

2.4 Dynamic Batching

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// ✅ 启用动态批处理
PlayerSettings.SetMobileMTRendering(BuildTargetGroup.Android, false);
PlayerSettings.SetMobileMTRendering(BuildTargetGroup.iOS, false);

// 动态批处理限制:
// - 顶点数 < 900 (移动端更严格)
// - 相同 Material
// - 相同 Shader 变体
// - 不使用多 Pass Shader

2.5 GPU Instancing

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// ✅ Shader 启用 Instancing
#pragma multi_compile_instancing

// MeshRenderer 启用
MeshRenderer renderer = GetComponent<MeshRenderer>();
renderer.enableInstancing = true;

// Graphics.DrawMeshInstanced
Matrix4x4[] matrices = new Matrix4x4[instancesCount];
Graphics.DrawMeshInstanced(mesh, 0, material, matrices);

💡 提示：GPU Instancing 是移动端的首选合批方式！

三、OverDraw 优化

3.1 OverDraw 问题

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OverDraw 示意图:
    相机视野
       │
       ▼
┌─────────────────────┐
│  ╔═══╗  ╔═══╗      │  每个方块被绘制多次
│  ║ A ║  ║ B ║      │  A(背景) -> B(中景) -> C(前景)
│  ╚═══╝  ╚═══╝      │  OverDraw = 3x
│    ╔══════╗        │
│    ║  C   ║        │
└────┴───────┴────────┘

3.2 OverDraw 检测

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// ✅ Frame Debugger 查看 OverDraw
// Window > Analysis > Frame Debugger
// 选择 OverDraw 模式

// ✅ 创建 OverDraw 可视化 Shader
Shader "Custom/OverDraw" {
    SubShader {
        Tags { "Queue"="Transparent+1" }
        Pass {
            Blend One One
            ZWrite Off ZTest Always
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            struct appdata { float4 vertex : POSITION; };
            struct v2f { float4 vertex : SV_POSITION; };
            v2f vert(appdata v) {
                v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                return o;
            }
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
                return fixed4(0.1, 0.1, 0.1, 0);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

3.3 OverDraw 优化策略

策略 说明 效果
渲染顺序 不透明物体从前向后 减少 Early-Z 剔除失败
剔除背面 剔除相机看不见的背面 减少填充率
遮挡剔除 不渲染被遮挡物体 大幅减少 OverDraw
透明合并 合并透明 UI 元素 减少 UI OverDraw

四、LOD (Level of Detail)

4.1 LOD 原理

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距离 / LOD 级别:
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    │                                         │
    │  Far LOD2 (低模) ◄─────────────────┐   │
    │                    30m             │   │
    │  Mid LOD1 (中模) ◄──────────┐       │   │
    │                 15m          │       │   │
    │  Near LOD0 (高模) ◄────┐     │       │   │
    │                  5m    │     │       │   │
    │                        ▼     ▼       ▼   │
    │                      Camera           │
    └─────────────────────────────────────────┘

4.2 LOD Group 使用

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// ✅ 代码设置 LOD
LODGroup lodGroup = gameObject.AddComponent<LODGroup>();

// 创建 LOD 级别
LOD[] lods = new LOD[3];
lods[0] = new LOD(0.5f, new Renderer[] { highPolyRenderer });  // 50%
lods[1] = new LOD(0.2f, new Renderer[] { midPolyRenderer });   // 20%
lods[2] = new LOD(0.01f, new Renderer[] { lowPolyRenderer });  // 1%

lodGroup.SetLODs(lods);
lodGroup.RecalculateBounds();

4.3 LOD 切换距离建议

平台 LOD 数量 切换距离
PC/Console 3-4 级 较远
Mobile High 3 级 中等
Mobile Low 2-3 级 较近

五、遮挡剔除 (Occlusion Culling)

5.1 遮挡剔除原理

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无遮挡剔除:
    Camera
       │
       ├──> 渲染 A (可见)
       ├──> 渲染 B (被 A 挡住但仍渲染)
       └──> 渲染 C (被 A 挡住但仍渲染)

有遮挡剔除:
    Camera
       │
       ├──> 渲染 A (可见)
       ├──> 跳过 B (被遮挡)
       └──> 跳过 C (被遮挡)

5.2 遮挡剔除配置

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// ✅ 启用遮挡剔除
// Project Settings > Player > Occlusion Culling

// 烘焙遮挡数据:
// Window > Rendering > Occlusion Culling > Bake

// 运行时控制
GameObject.GetComponent<OcclusionPortal>().open = true;

5.3 Occlusion Portal

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// ✅ 门/窗等动态开口使用 Occlusion Portal
OcclusionPortal portal = gameObject.AddComponent<OcclusionPortal>();
portal.open = false;  // 门关闭时遮挡生效
portal.open = true;   // 门开启时遮挡失效

六、Shader 优化

6.1 着色器复杂度优化

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// ❌ 复杂计算
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
    // 大量 sin/cos/pow 等复杂运算
    col.rgb *= sin(_Time.y * 10) * pow(col.r, 2.0);
    return col;
}

// ✅ 简化计算
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
    // 使用查表或预计算
    col.rgb *= _ColorMultiplier.rgb;
    return col;
}

6.2 移动平台 Shader 注意事项

问题 优化方案
pow/exp/log 使用查找表
sin/cos 使用近似函数
纹理采样 使用 Mipmaps
精度 mobile 使用 half/fixed
分支 尽量避免动态分支

6.3 精度优化

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// ✅ 移动平台使用低精度
// Vertex Shader
float4 pos : POSITION;     // 需要高精度
half3 normal : NORMAL;     // 法线用 half
float2 uv : TEXCOORD0;     // UV 用 float

// Fragment Shader
fixed4 col : SV_Target;    // 颜色用 fixed
half3 viewDir : TEXCOORD0; // 方向用 half

七、纹理优化

7.1 纹理格式

平台 推荐格式 说明
iOS ASTC 4x4 / PVRTC 硬件支持
Android ETC2 / ASTC 兼容性考虑
PC DXT / BC7 压缩率高

7.2 纹理尺寸

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// ✅ 最大纹理尺寸设置
PlayerSettings.SetTextureStreamingBudgetPerScene(512 * 1024 * 1024);

// Mipmap Streaming
TextureImporter importer = AssetImporter.GetAtPath(path) as TextureImporter;
importer.streamingMipmapsActive = true;
importer.streamingMipmapsAddAllCameras = true;

7.3 纹理图集

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图集优势:
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│  单张纹理            纹理图集        │
│  ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐    ┌───────┐   │
│  │ A │ │ B │ │ C │    │ A B C │   │
│  └───┘ └───┘ └───┘    │ D E F │   │
│  ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐    │ G H I │   │
│  │ D │ │ E │ │ F │    └───────┘   │
│  └───┘ └───┘ └───┘                  │
│                                     │
│  6 DrawCalls      1 DrawCall        │
└─────────────────────────────────────┘

八、光照优化

8.1 实时光照 vs 烘焙光照

类型 性能开销 质量 用途
实时点光 高 高 动态光源
实时聚光灯 很高 高 手电筒等
烘焙光照 低 高 静态场景
Light Probes 中 中 动态物体
LPPV 中 中 大场景动态物体

8.2 光照优化策略

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// ✅ 设置光渲染模式
Light light = GetComponent<Light>();
light.renderMode = LightRenderMode.ForcePixel;  // 重要光源
light.renderMode = LightRenderMode.ForceVertex; // 次要光源
light.shadows = LightShadows.None;             // 无阴影

// ✅ 限制实时光数量
// 移动端建议: 1-2 个实时光
// PC 建议: 3-4 个重要实时光

九、粒子系统优化

9.1 粒子优化策略

优化项 说明
减少粒子数 使用最大粒子数限制
使用 Prewarm 预热避免启动开销
禁用不必要的模块 Collision / Trails 等
使用 Sprite 粒子 比 Mesh 粒子快
降低更新频率 使用 Fixed Timestep

9.2 粒子配置示例

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// ✅ 优化粒子系统
ParticleSystem ps = GetComponent<ParticleSystem>();

var main = ps.main;
main.maxParticles = 100;           // 限制最大粒子数
main.prewarm = true;               // 启用预热
main.simulationSpace = ParticleSystemSimulationSpace.Local;  // 使用局部空间
main.scalingMode = ParticleSystemScalingMode.Local;

// 禁用碰撞
var collision = ps.collision;
collision.enabled = false;

// 降低渲染优先级
var renderer = ps.GetComponent<ParticleSystemRenderer>();
renderer.renderMode = ParticleSystemRenderMode.Stretch;
renderer.alignment = ParticleSystemRenderSpace.View;

十、UI 渲染优化

10.1 UGUI 优化要点

优化项 说明
Canvas 分割 不同频率更新的 UI 分离
隐藏空 Text 空 Text 会占用大量内存
避免 Layout 减少 Layout Group 嵌套
使用 Sprite Atlas 合并 UI 图集
禁用 Raycast Target 不需要交互的元素

10.2 Canvas 设置

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// ✅ UI Canvas 优化
Canvas canvas = GetComponent<Canvas>();

// 高频更新 UI (血条等)
canvas.renderMode = RenderMode.ScreenSpaceOverlay;

// 低频更新 UI
canvas.renderMode = RenderMode.ScreenSpaceCamera;
canvas.worldCamera = uiCamera;

// 静态 UI
Canvas additionalCanvas = uiCanvas.gameObject.AddComponent<Canvas>();
additionalCanvas.overrideSorting = true;
additionalCanvas.sortingOrder = 100;

十一、移动平台特殊优化

11.1 移动 GPU 特性

GPU 特点 优化建议
Adreno TBDR 架构 控制 OverDraw
Mali TBDR 架构 减少带宽压力
PowerVR TBDR 架构 利用 HSR
Tegra IMR 架构 关注像素复杂度

💡 TBDR (Tile-Based Deferred Rendering)：移动 GPU 主流架构，对 OverDraw 敏感。

11.2 移动平台检查清单

  • 禁用实时阴影
  • 使用烘焙光照
  • 限制粒子数量
  • 简化 Shader 复杂度
  • 使用 ASTC 纹理压缩
  • 启用 Mipmap Streaming
  • 控制渲染分辨率
  • 使用 16bit RenderTexture

十二、优化总结

12.1 快速检查清单

类别 检查项 目标
DrawCall 减少 DC <100 (Mobile)
OverDraw 控制填充率 <2x 平均
Shader 简化复杂度 移动端 <50 指令
纹理 压缩格式 全部压缩
光照 烘焙为主 <2 实时光
粒子 限制数量 <500 同屏

12.2 性能目标

平台 目标帧率 GPU 时间预算
PC 60/144 FPS <16ms / <6ms
Console 30/60 FPS <33ms / <16ms
Mobile High 60 FPS <16ms
Mobile Mid 30 FPS <33ms
Mobile Low 30 FPS <33ms

十三、参考资料

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