填充率 Fill Rate

什么是填充率

填充率（Fill Rate）是指图形处理器（GPU）每秒钟可以渲染到屏幕上的像素数量，通常以百万像素/秒（MP/s）或十亿像素/秒（GP/s）为单位。它是衡量GPU性能的重要指标，尤其在处理高分辨率渲染和复杂片段着色时。

填充率可以分为**像素填充率**和**纹理填充率**：

• **像素填充率**：GPU每秒能够写入帧缓冲的像素数，取决于光栅化单元（ROP）的数量和频率。
• **纹理填充率**：GPU每秒能够采样的纹理像素（texel）数，取决于纹理单元（TMU）的数量和频率。

填充率的重要性

填充率直接影响渲染性能，当场景需要处理大量像素（如高分辨率、多图层、复杂后处理）时，填充率可能成为瓶颈。如果GPU的填充率不足，帧率会下降，出现卡顿。

移动设备由于屏幕分辨率高但GPU填充率相对较低，对填充率特别敏感。

影响填充率的因素

• **分辨率**：分辨率越高，需要渲染的像素越多，对填充率要求越高。
• **Overdraw**：同一像素被多次绘制会增加填充率压力。
• **片段着色器复杂度**：虽然复杂着色器主要消耗ALU，但每个像素执行多次纹理采样也会占用纹理填充率。
• **混合操作**：Alpha混合需要读取帧缓冲并写入，消耗额外带宽。
• **后处理**：全屏后处理效果（如模糊、泛光）需要多次处理全屏像素，大幅增加填充率需求。

填充率与Overdraw的关系

Overdraw是填充率消耗的主要来源之一。例如，一个像素被绘制3次，就相当于填充率需求增加了3倍。减少Overdraw可以有效降低填充率压力。

如何优化填充率

1. 降低渲染分辨率

使用动态分辨率或降低渲染目标分辨率，例如在移动设备上使用较低的内部分辨率再缩放。

2. 减少Overdraw

• 优化渲染顺序，利用深度测试剔除被遮挡像素。
• 减少透明物体层数。
• 使用遮挡剔除。

3. 简化片段着色器

• 减少纹理采样次数。
• 使用简化光照模型。
• 避免复杂数学函数。

4. 优化后处理

• 合并后处理效果，减少全屏遍历次数。
• 使用降分辨率进行后处理（如半分辨率模糊）。
• 考虑使用Compute Shader异步处理。

5. 使用Mipmap

合理使用Mipmap可以减少纹理采样时的带宽消耗，但可能增加纹理填充率？实际上，Mipmap减少了纹理缓存未命中，提高纹理采样效率。

填充率的测量

GPU规格中通常提供理论填充率，但实际性能受多种因素影响。使用性能分析工具（如GPUView、Nsight）可以测量实际填充率占用。

总结

填充率是GPU渲染像素的能力，高分辨率、过度绘制和复杂后处理会快速消耗填充率。通过优化渲染管线、减少像素处理量，可以提升整体性能。