四、光栅化与像素处理：从三角形到屏幕上的每一个像素

好，咱们进入第四章节。光栅化与像素处理，说白了就是GPU把三角形变成屏幕上可见像素的那一步。这一步如果没做好，前面顶点着色算得再快也是白搭。我个人习惯把这一阶段称为「填色流水线」，因为它决定了最终画面的质量和性能。

4.1 光栅化效率影响因素

光栅化就是把三角形转换成像素片元的过程。影响效率的因素有哪些？我列几个关键点：

• 三角形尺寸：小三角形（比如小于2x2像素）会导致大量无效计算。我在项目中遇到过，一个场景里全是细碎的小三角形，光栅化效率直接腰斩。
• 三角形形状：瘦长三角形比等边三角形更难处理，因为边界遍历的步长不均匀。
• 屏幕分辨率：分辨率越高，需要处理的像素越多，这个不用多说。
• 多重采样（MSAA）：每个像素要采样多个点，计算量成倍增加。

你想想看，如果一个三角形只覆盖了半个像素，GPU还是要为它做完整的边界计算。这就是浪费。我建议在建模阶段就控制好三角形密度，别让太多小三角形出现在远处。

4.2 Early-Z与Late-Z测试

这是GPU里一个非常巧妙的设计。Early-Z测试，就是在像素着色器执行之前，先做深度测试。如果这个像素被挡住了，直接扔掉，不用跑着色器了。

为什么会这样设计？因为像素着色器很贵啊！能省则省。

Late-Z测试是在像素着色器执行之后再做深度测试。说白了就是先算颜色，再判断要不要。这显然浪费了计算资源。所以，尽量让不透明物体先渲染，利用Early-Z把被遮挡的像素提前干掉。

特性	Early-Z	Late-Z
执行时机	像素着色器之前	像素着色器之后
性能影响	节省大量计算	浪费计算资源
适用场景	不透明物体	透明物体、alpha测试
是否支持discard	不支持	支持

嗯，这里要注意：如果你在像素着色器里写了discard或者clip，Early-Z就会自动关闭。我曾经调试过一个性能问题，发现帧率突然掉了一半，查了半天才发现是某个材质用了alpha test。

4.3 像素着色器优化

像素着色器是GPU里最繁忙的单元，没有之一。优化它，收益最大。

我总结了几条实用原则：

• 减少指令数：能少算就少算。比如把光照计算从像素着色器移到顶点着色器，或者用预计算纹理代替实时计算。
• 避免分支：像素着色器里的if-else会导致SIMD效率下降。因为同一个warp里的像素必须走同一个分支。我建议用lerp或step函数代替分支。
• 减少纹理采样：纹理采样是像素着色器里最贵的操作之一。能合并就合并，能用低分辨率就用低分辨率。
• 使用half精度：很多计算不需要float32精度，用half能省带宽和计算单元。

4.4 Overdraw问题与解决方法

Overdraw，说白了就是同一个像素被画了多次。比如一个透明玻璃杯，它后面的物体要先画，然后玻璃杯再画上去，这个像素就被画了两次。

Overdraw的危害很明显：浪费像素着色器计算、浪费带宽、降低帧率。

怎么解决？我常用的方法：

1. 深度预渲染（Z-prepass）：先只写深度，不写颜色。这样后面的渲染就能利用Early-Z把被遮挡的像素提前扔掉。代价是多跑一次顶点着色器，但像素着色器省下来的更多。
2. 排序渲染：不透明物体从近到远渲染，透明物体从远到近渲染。这样Early-Z能发挥最大作用。
3. 使用Hierarchical-Z：现代GPU都有层级深度缓冲，可以在更粗的粒度上提前剔除像素块。
4. 减少透明物体：透明物体是Overdraw的重灾区。能用不透明就用不透明，或者用alpha-to-coverage代替alpha blend。

我记得有一次做移动端优化，场景里全是半透明的粒子特效，Overdraw达到了8x。后来改用深度预渲染+限制粒子数量，Overdraw降到了2x，帧率从20fps直接飙到60fps。

知识体系图

下面这张图展示了光栅化与像素处理的核心逻辑，我画了个流程图帮你理清思路：

这张图把整个流程串起来了。从光栅化开始，经过Early-Z筛选，再到像素着色器计算，最后经过Late-Z确认，写入帧缓冲。Overdraw和优化建议都在底部做了总结。

---

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321