游戏中的“着色器编译”到底是什么？ 为什么如此重要？

在游戏的世界里，我们经常会遇到一个让人既熟悉又头疼的环节——着色器编译。特别是在玩《黑神话：悟空》、《Apex：英雄》、《最后生还者》等游戏时，这个等待过程可能会非常漫长。

那么，着色器编译到底是什么？为什么它在游戏中如此重要？

着色器是什么

着色器(shader)是一种计算机程序，用于计算图像中的光照、亮度、颜色等各种渲染细节。简单的来说就是一种专为图形渲染而生的代码，通常运行在GPU上。而有了着色器，我们才能看到各种精美的画面和场景特效等等。

它包括像素着色器、顶点着色器、光线追踪着色器等几种类型。以像素着色器为例，游戏开发者可以用它模拟火炬的闪烁光、枪口的喷火光效，或者创建逼真的爆炸照明效果，为玩家创造更为沉浸真实的游戏体验。除了用于游戏的画面渲染，着色器也被广泛用于很多不同领域的工作，例如CG特效处理、影片后期处理等。

为什么着色器需要编译？

着色器本质上是一系列程序代码，要想让它能够在硬件上正常运行，就需要将其转变成计算机可以识别的语言。编译也就是将源代码转变为机器可执行代码的过程。这个过程包括预处理、编译和优化等多个步骤，以确保着色器能够在不同的硬件上高效运行。

举个例子，想象GPU是一个外国厨师，而我们则是提供食谱的着色器。为了让这位外国厨师能够按照我们的食谱烹饪出美味的菜肴，我们需要将食谱翻译成他能够理解的语言，也就是机器码。

这个过程就像是将我们的烹饪指令转换成厨师能够遵循的步骤，确保每一道菜都能按照预期的味道和外观呈现出来。

同样地，在游戏开发中，着色器提供了详细的指令，告诉GPU如何渲染图像，比如如何模拟光影效果、纹理映射和动态特效。

这些指令必须被转换成GPU能理解的机器码，这样GPU才能执行这些复杂的图形渲染任务。只有经过这样的编译过程，游戏开发者精心设计的视觉效果才能在我们的屏幕上栩栩如生地展现出来。

简而言之，就像外国厨师需要食谱的翻译来制作美食一样，GPU也需要着色器编译成机器码来渲染出令人惊叹的游戏画面。这个过程是确保游戏视觉效果能够准确呈现在玩家面前的关键步骤。

着色器编译的工作原理

（1）编写着色器代码：开发者使用类似C语言的着色器语言（如HLSL或GLSL）编写着色器代码，定义如何渲染图像。

（2）编译过程：着色器代码需要被编译成GPU能够理解的机器码。这个过程涉及到将高级语言转换成GPU可以直接执行的指令。

（3）优化：编译过程中，编译器还会进行性能优化，比如添加中间变量用于缓存计算结果，展开循环，内联函数，以及对代码进行重新排序等。

（4）执行：编译完成后，着色器代码作为机器码在GPU上执行，实现实时的图形渲染效果。

着色器编译为什么需要这么久？

（1）现代游戏材质的复杂性：现代3A大作可能一帧画面就有多达上万个着色器在共同工作，极为耗费算力。进入不同的关卡或场景时，都需要加载新的着色器并进行编译，并由GPU执行渲染工作。

这也是在我们进入游戏不同关卡时，通常会有过场画面或者播放CG动画的原因，而这时候就是在加载下一个场景的着色器。

（2）每台机器的硬件差异：由于每个人的PC配置不同，包括操作系统、显卡、驱动程序等，开发人员不可能为所有可能的硬件组合预先编译着色器，所以只能现编译。一旦游戏更新、更换显卡或是更新驱动，就又要重新对着色器进行编译。

如何解决着色器编译的问题？

游戏开发者通常会采取一些措施来减少着色器编译对玩家体验的影响：

（1）预编译主要着色器：将主要的着色器编译设置在游戏的启动页面或主菜单页面，把剩余的编译工作隐藏在过渡场景或加载阶段。

而对于玩家来说，能做的就不多了。尽量关闭后台不必要的程序，或是在初次进入游戏后不忙着开始游戏，而是在主菜单页面稍微等待一会儿，对着色器的卡顿现象可能会有缓解作用。

（2）利用新技术：着色器通常是在GPU上运行的，不同架构的GPU编译速度也会不同。为了提高着色器的工作效率，显卡厂商也带来了新的技术优化。

例如，NVIDIA的着色器执行重排序（SER）技术可以提高着色器执行效率，从而减少编译时间。SER 可为光线追踪操作的着色器性能最高提升2倍，游戏的帧率最高提升25%。

着色器编译虽然可能会给玩家带来一些等待时间，但它是实现游戏中丰富视觉效果的关键技术。随着技术的进步，着色器编译的过程将变得更加高效，玩家的游戏体验也将因此得到提升。下次在游戏中遇到着色器编译时，不妨多一点耐心，毕竟视觉盛宴即将呈现在眼前！