Shader 编程优化技巧
if else 优化
例1
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| if (x == 0) {
y += 5;
}
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| vec4 when_eq(vec4 x, vec4 y) {
return 1.0 - abs(sign(x - y));
}
y += 5 * when_eq(x, 0);
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如果使用HLSL，则应用 step 函数取代GLSL中的 sign 函数
例2
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| if (x == 0) {
b = a1;
} else {
b = a2;
}
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| vec4 when_neq(vec4 x, vec4 y) {
return abs(sign(x - y));
}
b = mix(a1, a2, when_neq(x, 0));
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如果使用HLSL，则应用 lerp 函数取代GLSL中的 mix 函数
常用关系运算符优化
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| //relation operator
vec4 when_eq(vec4 x, vec4 y) {
return 1.0 - abs(sign(x - y));
}
vec4 when_neq(vec4 x, vec4 y) {
return abs(sign(x - y));
}
vec4 when_gt(vec4 x, vec4 y) {
return max(sign(x - y), 0.0);
}
vec4 when_lt(vec4 x, vec4 y) {
return max(sign(y - x), 0.0);
}
vec4 when_ge(vec4 x, vec4 y) {
return 1.0 - when_lt(x, y);
}
vec4 when_le(vec4 x, vec4 y) {
return 1.0 - when_gt(x, y);
}
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常用逻辑运算符优化
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| //logical operator;
vec4 and(vec4 a, vec4 b) {
return a * b;
}
vec4 or(vec4 a, vec4 b) {
return min(a + b, 1.0);
// or
// return max(a, b);
}
vec4 xor(vec4 a, vec4 b) {
return (a + b) % 2.0;
}
vec4 not(vec4 a) {
return 1.0 - a;
}
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给浮点数求余数，HLSL应使用 fmod 函数；GLSL应使用 modf 函数，且只有openGL 3.x/openGL ES 3.x 中才能使用
指令优化
使用MAD
MAD 是英文 multiply, then add 的缩写。指的意思是GPU中，编译器可以把一个乘法和一个加法合并成一条指令(类似AMD的FMA指令)。比如
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| result = 0.5 * (1.0 + variable); // NG
result = 0.5 + 0.5 * variable;
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再举个稍微复杂的例子
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| // Without MAD
myOutputColor.xyz = myColor.xyz;
myOutputColor.w = 1.0;
gl_FragColor = myOutputColor;
// With MAD
const vec2 constantList = vec2(1.0, 0.0);
gl_FragColor = mycolor.xyzw * constantList.xxxy + constantList.yyyx;
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使用Swizzle
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| in vec4 in_pos;
// The following two lines:
gl_Position.x = in_pos.x;
gl_Position.y = in_pos.y;
// can be simplified to:
gl_Position.xy = in_pos.xy;
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多使用shader内置函数
有很多shader内置函数比如 mix(lerp) 和 dot ,都是优化过的，GPU可以在一个时钟周期内完成(“single-cycle”)
Linear Interpolation
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| vec3 colorRGB_0, colorRGB_1;
float alpha;
resultRGB = colorRGB_0 * (1.0 - alpha) + colorRGB_1 * alpha;
// The above can be converted to the following for MAD purposes:
resultRGB = colorRGB_0 + alpha * (colorRGB_1 - colorRGB_0);
// GLSL provides the mix function. This function should be used where possible:
resultRGB = mix(colorRGB_0, colorRGB_1, alpha);
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Dot products
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| vec3 fvalue1;
result1 = fvalue1.x + fvalue1.y + fvalue1.z;
vec4 fvalue2;
result2 = fvalue2.x + fvalue2.y + fvalue2.z + fvalue2.w;
// This is essentially a lot of additions.
// Using a simple constant and the dot-product operator, we can have this:
const vec4 AllOnes = vec4(1.0);
vec3 fvalue1;
result1 = dot(fvalue1, AllOnes.xyz);
vec4 fvalue2;
result2 = dot(fvalue2, AllOnes);
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多数shader内置函数都很快，但也存在特例，比如 discard , floor
Index Buffer
在绘制图元时，永远使用Index Buffer而不是单纯使用三角化后的Vertex Buffer。在openGL中就是使用 glDrawElements 而不要用 glDrawArrays。
首先，使用索引缓冲可以极大减少CPU向 vertex shader 传送数据的大小，减少缓冲压力。其次，对于多次引用到的顶点，其顶点计算结果可以被缓存。
If you are using indexed rendering, then it gets complicated. It’s more-or-less 1:1, each vertex having its own VS invocation. However, thanks to post-T&L caching, it is possible for a vertex shader to be executed less than once per input vertex.(原文)
使用优化的数学函数
Sine
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| sin(x) ≈ x - x^3 / 3! + x^5 / 5! - x^7 / 7! + ...
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Cosine
1
| cos(x) ≈ 1 - x^2 / 2! + x^4 / 4! - x^6 / 6! + ...
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sqrt 平方根
1
| sqrt(x) ≈ 1 + (1/2) * (x - 1) - (1/8) * (x - 1)^2 + (1/16) * (x - 1)^3 - (5/128) * (x - 1)^4 + ...
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exp 指数函数
1
| sqrt(x) ≈ 1 + (1/2) * (x - 1) - (1/8) * (x - 1)^2 + (1/16) * (x - 1)^3 - (5/128) * (x - 1)^4 + ...
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log 对数函数
1
| log(x) ≈ x - (x - 1) - (1/2) * (x - 1)^2 + (1/3) * (x - 1)^3 - (1/4) * (x - 1)^4 + ...
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除了使用多项式近似的方法之外，还可以采用其他的方法来优化这些函数的计算。
例如：
对于 sqrt 函数，可以使用牛顿迭代法来求解。对于 exp 和 log 函数，可以使用查找表的方法来快速查找结果。
选用合适的数据类型、精度
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| // 数据类型
vec4 color = texture(tex, texCoord).rgba;
// 数据精度
float color = 0.5;
// 不使用向量
float x1 = 1.0;
float y1 = 2.0;
float x2 = 3.0;
float y2 = 4.0;
float dist = sqrt((x1 - x2) * (x1 - x2) + (y1 - y2) * (y1 - y2));
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改写示例
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| // 数据类型
uvec4 color = texture(tex, texCoord).rgba;
// 数据精度
half color = 0.5;
// 使用向量
vec2 p1 = vec2(1.0, 2.0);
vec2 p2 = vec2(3.0, 4.0);
float dist = length(p1 - p2);
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缓存技术
常量缓存
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| uniform float value;
void main()
{
float result = value * 0.5;
gl_FragColor = vec4(result, result, result, 1.0);
}
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着色器缓存
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| glUseProgram(shaderProgram);
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其他一些7788的写法
一些常见的优化工具
- AMD GPU ShaderAnalyzer
- NVIDIA Nsight Shader Debugger