7.2 网格着色与可变速率着色

7.2 网格着色与可变速率着色

本节摘要：两个改写「算力花在哪」的扩展：网格着色把几何管线换成任务加网格的两阶段编程模型，让剔除与生成在进光栅化之前发生；可变速率着色按内容分配片段着色密度，把看不见的区域的算力省下来。本节讲两者的模型、粒度与收益算法，并给出组合实战。

别以为图形管线的起点永远是「CPU 读顶点缓冲、硬件做图元装配」——这套 1990 年代定型的流程在超多边形场景里有个结构性浪费：所有几何先装配、先变换，再在光栅化时被大量丢弃。网格着色（VK_EXT_mesh_shader）干脆换了起点；可变速率着色（VK_KHR_fragment_shading_rate）则从管线末端继续省钱。两者一前一后，把「按需分配算力」做成了 API 能力。

一、网格着色：任务与网格两阶段

新管线只有两个可编程阶段。任务着色器（task，可选）：决定「派多少个网格工作组」，做粗粒度剔除与放大控制；网格着色器（mesh）：直接产出顶点与图元索引，绕过顶点装配硬件。输入不再是顶点缓冲的隐式绑定，而是你自定义的数据（典型是 meshlet 列表——把大网格预切成几十到上百顶点的小簇，簇带包围球）。

#version 450
#extension GL_EXT_mesh_shader : require
layout(local_size_x = 32) in;

taskPayloadSharedEXT struct {
    uint meshletIds[32];
} payload;

void main() {
    uint mId = gl_WorkGroupID.x * 32 + gl_LocalInvocationID.x;
    Meshlet m = meshlets[mId];
    // 粗剔除：整簇包围球不可见则整组不派发
    payload.meshletIds[gl_LocalInvocationID.x] =
        sphereVisible(m.sphere) ? mId : INVALID;
    EmitMeshTasksEXT(1, 1, 1);      // 派发给网格阶段
}
​

网格阶段随后逐簇输出：可见簇的顶点进 mesh 输出数组、图元写索引，不可见簇零成本跳过。收益的算法很直白：省下的是「变换与装配被光栅化丢弃」的那部分。植被、毛发、城市这类「多边形海量、屏幕覆盖小」的内容，丢弃率常在高位，收益巨大；全屏覆盖的地面拼片反而几乎无收益。迁移成本集中在资产管线（切 meshlet、建簇包围体）与代码架构（放弃固定顶点输入的假设）。

二、可变速率着色：片段密度即预算

传统管线每个像素跑一次片段着色器。可变速率着色（VRS）允许按块（例如两个像素乘两个像素一个着色点）执行，四档粒度从粗到细：

粒度可以叠加组合器（combiner）决定多层速率怎么合并（取更粗或更细）。内容自适应的标准做法是屏幕分块：CPU 或计算着色器按亮度梯度、运动向量、注视点（配合眼动追踪扩展）为每个分块定速率——快动区域人眼分辨不出细节，两个像素一块毫无感知。移动端还有一笔额外账：片段着色次数直接关联功耗与发热，VRS 是续航工具而不只是帧率工具。

三、案例：植被场景的组合改造

背景：一款开放世界 Demo 的森林场景瓶颈明确：四十万实例植被的几何处理占帧时间四成，全屏后处理又把片段着色推满，两头都挤。

操作：双管齐下。几何侧迁移网格着色：资产管线按簇预切植被网格（每簇约六十四顶点），任务阶段按包围球与朝向剔除整簇，风场摆动在网格阶段以簇为单位完成；被遮挡与远距离簇在进入光栅化之前清零。片段侧接 VRS：主场景全速率，远景植被带两个像素一块，运动模糊触发时分块速率再放粗一档，速率由计算着色器按运动向量每帧生成。

结果：几何段耗时降到原来的四成，片段着色开销按速率图实际分布下降约三成；两个扩展的可探测性检查让老设备自动回退到传统管线（植被改用实例剔除加 LOD 链兜底）。

解读：这个案例里两个扩展解决的是同一预算表的两行——顶点处理与片段处理，互不替代。值得注意的是回退路径的成本：网格着色的 meshlet 资产在传统管线下要能拼回顶点缓冲，资产格式设计时就该为双路线留门。

变式：纯性能视角之外，VRS 在注视点渲染（VR/AR）里是刚需级能力——外围视场以粗速率着色，与眼动数据联动后省率可达数倍。那一场景下分块速率图像由系统层注入，应用只需声明支持。

四、两个高频疑问

接入前被问得最多的两个问题，提前放在这里。其一，「meshlet 切多大合适？」经验区间是每簇六十四到一百二十八个顶点、约等于簇顶点数四分之一的图元数——簇越小剔除越精细，但任务与网格调度的固定开销占比越高；官方示例的切簇参数可以直接当起点，再按自家内容扫描几组对比。其二，「VRS 会让画质明显变糊吗？」粗速率块的边界在静态画面里肉眼可辨，但在运动画面与后处理（抗锯齿、上采样）之后基本被掩盖——把速率图与运动强度、深度差绑定，只对「人眼本来就不看细节」的块放粗，是画质无损的关键约束。

还有一个工程提醒：两个扩展都改动了「管线假设」——网格着色管线没有顶点输入状态结构，VRS 改变片段调用量会影响时间戳与占用率的解读。做性能对比时，新旧路径要分别基线测量，别拿旧管线的数字直接对照。

五、要点回顾

• 换起点：网格着色以任务加网格两阶段取代顶点装配，剔除与生成发生在光栅化之前。
• 收益有形态：海量低覆盖几何（植被、毛发、城市）收益最大，全屏高覆盖内容几乎不赚。
• 密度即预算：VRS 四档粒度（管线、绘制、图元、分块）逐级精细，分块速率图是内容自适应的主载体。
• 移动端双收益：VRS 同时是帧率与续航工具，功耗视角在移动选型里权重更高。
• 回退要预设：能力探测不通过时自动落回传统路线，资产格式为双路线留门。

收尾给一条组合建议：两个扩展的探测、启用、回退框架可以共用同一套「能力分级」代码（与 7.3 的体检三步法一致），项目里做成统一的扩展管理模块——高级特性接得越多，这套基建的复利越明显。