Version: 2021.2
内置着色器变量
使用采样器状态

着色器数据类型和精度

Unity 中的标准着色器语言为 HLSL,支持一般 HLSL 数据类型。但是,Unity 对 HLSL 类型有一些补充,特别是为了在移动平台上提供更好的支持。

基本数据类型

着色器中的大多数计算是对浮点数(在 C# 等常规编程语言中为 float)进行的。浮点类型有几种变体:floathalffixed(以及它们的矢量/矩阵变体,比如 half3float4x4)。这些类型的精度不同(因此性能或功耗也不同):

高精度:float

最高精度浮点值;一般是 32 位(就像常规编程语言中的 float)。

完整的 float 精度通常用于世界空间位置、纹理坐标或涉及复杂函数(如三角函数或幂/取幂)的标量计算。

中等精度:half

中等精度浮点值;通常为 16 位(范围为 –60000 至 +60000,精度约为 3 位小数)。

半精度对于短矢量、方向、对象空间位置、高动态范围颜色非常有用。

低精度:fixed

最低精度的定点值。通常是 11 位,范围从 –2.0 到 +2.0,精度为 1/256。

固定精度对于常规颜色(通常存储在常规纹理中)以及对它们执行简单运算非常有用。

整数数据类型

整数(int 数据类型)通常用作循环计数器或数组索引。为此,它们通常可以在各种平台上正常工作。

根据平台的不同,GPU 可能不支持整数类型。例如,Direct3D 9 和 OpenGL ES 2.0 GPU 仅对浮点数据进行运算,并且可以使用相当复杂的浮点数学指令来模拟简单的整数表达式(涉及位运算或逻辑运算)。

Direct3D 11、OpenGL ES 3、Metal 和其他现代平台都对整数数据类型有适当的支持,因此使用位移位和位屏蔽可以按预期工作。

复合矢量/矩阵类型

HLSL 具有从基本类型创建的内置矢量和矩阵类型。例如,float3 是一个 3D 矢量,具有分量 .x、.y 和 .z,而 half4 是一个中等精度 4D 矢量,具有分量 .x、.y、.z 和 .w。或者,可使用 .r、.g、.b 和 .a 分量来对矢量编制索引,这在处理颜色时很有用。

矩阵类型以类似的方式构建;例如 float4x4 是一个 4x4 变换矩阵。请注意,某些平台仅支持方形矩阵,最主要的是 OpenGL ES 2.0。

纹理/采样器类型

通常按照如下方式在 HLSL 代码中声明纹理:

sampler2D _MainTex;
samplerCUBE _Cubemap;

For mobile platforms, these translate into “low precision samplers”, i.e. the textures are expected to have low precision data in them. You can change the the default sampler precision for the whole Unity project in the Player Settings using the Shader precision model dropdown. If you know your texture contains HDR colors, you might want to use half precision sampler:

sampler2D_half _MainTex;
samplerCUBE_half _Cubemap;

或者,如果纹理包含完整浮点精度数据(例如深度纹理),请使用完整精度采样器:

sampler2D_float _MainTex;
samplerCUBE_float _Cubemap;

精度、硬件支持和性能

使用 float/half/fixed 数据类型的一个难题是:PC GPU 始终为高精度。也就是说,对于所有 PC (Windows/Mac/Linux) GPU,在着色器中编写 floathalf 还是 fixed 数据类型都无关紧要。这些 GPU 将始终以 32 位浮点精度来计算所有数据。

仅当目标平台是移动端 GPU 时,halffixed 类型才变得重要,在这种情况下,这些类型主要面临功耗(有时候是性能)约束。请记住,要确认是否遇到精度/数值问题,必须在移动设备上测试着色器。

即使在移动端 GPU 上,不同的精度支持也会因 GPU 产品系列而异。下面概述了个每个移动端 GPU 产品系列如何处理每个浮点类型(以用于该产品系列的位数来表示):

GPU 产品系列 浮点精度 半精度 固定精度
PowerVR 系列 6/7 32 16
PowerVR SGX 5xx 32 16 11
Qualcomm Adreno 4xx/3xx 32 16
Qualcomm Adreno 2xx 32 顶点,24 片元
ARM Mali T6xx/7xx 32 16
ARM Mali 400/450 32 顶点,16 片元
NVIDIA X1 32 16
NVIDIA K1 32
NVIDIA Tegra 3/4 32 16

大多数现代移动端 GPU 实际上只支持 32 位数字(用于 float 类型)或 16 位数字(用于 halffixed 类型)。一些较旧的 GPU 对顶点着色器和片元着色器计算具有不同的精度。

使用较低的精度通常可以更快,这可能是由于改进的 GPU 寄存器分配,或是由于某些低精度数学运算的特殊“快速路径”执行单元。即使没有原始性能优势,使用较低的精度通常也会降低 GPU 的功耗,从而延长电池续航时间。

一般的经验法则是全部都从半精度开始(但位置和纹理坐标除外)。仅当半精度对于计算的某些部分不足时,才增加精度。

支持无穷大、非数字和其他特殊浮点值

对特殊浮点值的支持可能会有所不同,具体取决于运行的 GPU 产品系列(主要是移动端)。

支持 Direct3D 10 的所有 PC GPU 都支持非常明确的 IEEE 754 浮点标准。这意味着,在 CPU 上,浮点数的行为与常规编程语言完全相同。

移动端 GPU 的支持程度可能稍有不同。在某些移动端 GPU 中,将零除以零可能会导致 NaN(“非数字”);在其他移动端 GPU 上,它可能会导致无穷大、零或任何其他不明值。务必在目标设备上测试着色器以检查着色器是否受支持。

外部 GPU 文档

GPU 供应商会提供有关其 GPU 性能和功能的深入指南。请参阅下文以了解详情:

另请参阅

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