可变速率着色 VRS

什么是可变速率着色

可变速率着色（VRS）是一种图形渲染优化技术，允许开发者控制屏幕不同区域的像素着色频率。传统渲染中，每个像素执行一次像素着色器（着色率1x1）；VRS 可以将多个像素合并为一个着色单元，即着色率降低（如2x2表示2x2像素块只执行一次着色），从而减少计算量，提升帧率。

原理与类型

着色率定义

着色率指每个片元着色器调用覆盖的像素数。例如：

• 1x1：每个像素着色一次（默认）。
• 1x2 或 2x1：两个像素共享一次着色。
• 2x2：四个像素共享一次着色。
• 4x4 等：更低着色率。

VRS 实现层级

VRS 可通过多种方式设置着色率：

• **每绘制调用（Per-Draw）**：对整个 draw call 设置统一着色率。
• **每图元（Per-Primitive）**：在几何着色器或网格着色器中根据图元属性（如距离）设置。
• **屏幕空间图像（Screen-Space Image）**：使用一张纹理指定屏幕各区域的着色率，最灵活。
• **组合（Combiner）**：将上述来源结合，取最粗粒度。

硬件支持

VRS 是 DirectX 12 Ultimate、Vulkan 1.2 的特性，需要较新 GPU（NVIDIA Turing、AMD RDNA 2、Intel Xe 等）。

应用场景

周边区域降低着色率

人眼对视野中心细节敏感，对边缘不敏感。可使用屏幕空间图像降低屏幕边缘的着色率，不影响主观画质。

运动区域降低着色率

快速运动的物体不易被察觉细节，可对其降低着色率。

暗部或低对比度区域

在阴影或平坦颜色区域，可降低着色率而不引起注意。

结合注视点渲染（Foveated Rendering）

在 VR 中，根据眼球追踪，在用户注视点使用高着色率，周围大幅降低着色率，显著提升性能。

优点与挑战

**优点**：

• 直接减少像素着色器调用次数，降低 GPU 负载。
• 灵活可控，可针对不同区域优化。
• 与其他优化技术（如 LOD、剔除）互补。

**挑战**：

• 降低着色率可能导致锯齿、模糊或细节丢失。
• 需要合理设计着色率分配，否则画质下降明显。
• 部分硬件不支持或支持有限。

实践建议

• 从每绘制调用 VRS 开始，对远处物体或小物体降低着色率。
• 使用屏幕空间图像实现注视点渲染，在 VR 中收益最大。
• 避免在 UI、文字或重要边缘区域降低着色率。
• 结合时间抗锯齿（TAA）可抵消部分画质损失。

未来趋势

VRS 是图形 API 演进的重要方向，与网格着色器、采样器反馈等技术共同构成现代渲染优化基础。未来可能出现更细粒度的着色率控制，如基于内容的自适应 VRS，利用机器学习预测最佳着色率分布。