Unity Shader之渲染流水线
前言
- 为什么要增加这个栏目？
由于个人目前主要学习Unity引擎，在引擎Shader的学习中，学了很多，但是不解的和不会的反而越来越多，借此机会自我总结一下，也为后续学习理清思路，该栏目将会随时间迭代更新。
- 该栏目有哪些内容？
我个人目前的想法是从我的学习路线入手。Unity Shader入门精要 -> Catlike Coding -> 案例综合
- 环境
- 软件： Unity
- 着色器语言： ShaderLab (CG/HLSL)
Unity Shader之渲染流水线
什么是渲染流水线？
由CPU、GPU共同完成，使用三维数据（顶点，法线等）将三维物体渲染成屏幕上的二维图像
流水线的概念早已学过，那么渲染流水线又是什么。首先要区别于GPU（硬件)流水线。
分为三个概念上的阶段，每个阶段又有子流水线。
应用阶段(application)：开发者支配的阶段，输入场景、贴图、摄像机、光源等等；输出点、线、三角面等渲染图元。CPU上。
几何阶段（geometry): 这个阶段主要决定渲染哪些图元，以及将这些图元映射到二维平面上，最后输出包括屏幕上的着色，深度值，坐标等等到光栅器。
光栅化阶段（rasterization): 这个阶段同上一个阶段都是在GPU上进行，利用上一阶段的数据绘制出像素。先是逐顶点处理（对坐标，颜色逐顶点插值），然后是像素处理。
CPU和GPU之间的交互流程是怎样的？（Application)
之前提到渲染流水线是在CPU和GPU上进行。我们知道应用阶段在CPU上进行，下面是应用阶段CPU与GPU的交互流程。
CPU控制数据从HDD(硬盘)中加载到显卡的显存（VRAM)中，数据包括位置、顶点着色、法线方向等。
通过CPU指定渲染状态，指导GPU使用哪个顶点/片元着色器，使用哪个光源属性、材质等。
准备好后CPU发起Draw Call命令，GPU根据渲染状态开始渲染。
上面三个阶段为应用阶段整个CPU和GPU交互流程。
什么是Draw Call
有一个命令缓冲区，用于CPU和GPU的并行处理。
Draw Call是其中的一道命令，用于发送渲染命令。下图中黄色框就是渲染命令Draw Call,红色是改变状态的命令。
尽量减少Draw Call
提交一次Draw Call需要提交数据，状态，命令等，如果一次能够绘制完，就不要分多次Draw Call.
类似于复制10MB的文件很快，但是复制10000个1KB的文件却很慢。
如何减少Draw Call是游戏优化中的一个重要命题。后续会以“优化”为主题详细讨论。
GPU流水线(Geometry&Rasterization)
已知几何与光栅化阶段在GPU上进行。以下为总览图。
几何阶段
- 顶点着色器（Vertex Shader)
负责顶点
几何变换和顶点着色
曲面细分(Tessellation Shader)、几何着色器(Geometry Shader)均为可选着色器，前者用来细分图元，后者用来执行图元着色操作和产生图元（增加）。
裁剪
位置分为完全在相机内，部分在相机内，完全不在相机内
裁剪用来处理部分在相机内的部分，将与相机交点替代相机外的部分。
需要注意的是顶点着色器是可编程的，但裁剪却是不可编程的，是硬件上的固定操作。
- 屏幕映射
输入三维坐标，映射到二维屏幕空间，z不做处理
光栅化阶段
- 三角形设置
已知顶点着色器不会记录点与点之间的关系
该过程用来得到三角形边界表达方式，计算像素覆盖情况。
- 三角形遍历（Triangle Traversal)
找到覆盖的像素，生成片元。
一个片元并不是真正意义上的像素，而是包含了很多状态的集合 这些状态用于计算每个像素的最终颜色
对三个顶点进行插值，然后三角形内部颜色由三点渐变(gradient)混合而成。
- 片元着色器（Fragment Shader)
DX中又称为像素着色器（Pixel Shader),不过片元不是真正意义上的像素，可编程
纹理采样，对三个顶点插值后，就可以得到片元的纹理坐标，仅可以影响单个片元，无法传递给邻居
- 逐片元操作(Per Fragment Operation)
主要进行修改颜色，深度缓冲，混合操作
为OpenGL的说法，DX具体较复杂
片元着色器执行后，进行模板测试（Stencil Test)，再开始深度测试(Depth Test)
模板测试是根据比对模板值和reference value来判断（可设置）是否舍弃片元。
深度测试则是比对深度，保留深度小的片元。
混合（Blend）操作，新渲染得到的颜色与颜色缓冲中的已有值做取舍。没有开启混合，计算得到什么，片元得到的就会是什么，也即不透明物体。如果开启了混合模式，会和原有颜色进行插值混合，表现为半透明。
现代GPU硬件特性，深度测试可以在片元着色器之前，但是不能同时。
补充
【显卡中除了图形处理单元GPU,还有显存(VRAM)】。
光栅化是一个过程，需要时间，为了得到连续图像，采样双缓冲机制（Double Buffering),Back Buffer计算新场景，Front Buffer显示当前场景，交换循环。
OpenGL、DX是CPU和GPU之间的桥梁，图形接口（api) （严格来说OpenGL不是图形api？,但是可以这么理解)
更详细地说
OpenGL没有提供着色器编译器，显卡驱动自己完成编译工作，GLSL的跨平台性在于编译结果依赖于硬件本身，而非局限于操作系统。不同显卡供应商的实现有所不同。
HLSL是针对微软产品的。不依赖于显卡驱动。
CG是跨平台的，根据不同平台翻译成中间语言，由于合作关系，和HLSL很像。但是可能无法发挥OpenGL新特性。
vv
提到了OpenGL和DX，就不得不提到Unity本身的跨平台性，两者坐标系不同，但是Unity自身提供翻转（开了抗锯齿+渲染到纹理就失效）
最后提一嘴，固定渲染管线由于对开发者极弱的开放性，渐渐退出历史舞台。
