渲染流水线RenderPipeline

渲染流水线

Shader 基础知识 - 图1

可编程Shader

在整个渲染流水线中，主要进行编程的部分为
几何阶段的顶点着色器（VertexShader），【约定缩写：Vert】
对模型的顶点进行操作
光栅化阶段的片元着色器（Fragment Shader）【约定缩写：Frag】
进行纹理采样
DX中也称为（Pixel Shader）像素着色器
而其他的Shader功能通常不能直接修改，一般做成开关的形式，根据需要开启或关闭
渲染完成后，各个通道的渲染结果存入帧缓存，此时还可以进行后期处理（PP）

着色器分工

几何阶段（Vertex）

顶点着色器：VertexShader 基本功能： 将顶点从模型空间转换为齐次空间（齐次剪裁坐标）， 再由硬件转换为归一化设备坐标系 image.png （Normalized Device Coordinates，NDC 左手系） 自定义编程功能： 做顶点动画、置换、移动旋转缩放等操作

曲面细分着色器：Tesselation Shader 基本功能：曲面细分

几何着色器（置换）：Geometry Shader（Displacement） 基本功能：曲面细分后的顶点着色器

剪裁：Clipping 基本功能： 将看不到的物体和物体看不到的部分做剪裁 剪裁类型： 2、远近平面剪裁：离摄像机过远或过近的物体做剪裁（低消耗） 3、视野剪裁：将视野范围外的物体做剪裁（相对中消耗） 4、遮挡剪裁：被遮挡的物体进行剪裁（相对高消耗）

屏幕映射：ScreenMapping 基本功能： 将每个图元转换到屏幕坐标系(ScreenCoordinates) (注：屏幕坐标系只有xy，如果带上z轴则称为窗口坐标系（WindowsCoordinates）) OpenGlimage.png DirectXimage.png

光栅化阶段（Fragment）

三角形设置、遍历（Triangle Setup、Traversal） 基本功能： 通过插值计算，算出每个面（片元）覆盖的像素，和每个像素的深度 输出包含各种信息的片元序列（每个片元包含 顶点信息、法线信息、纹理坐标、屏幕坐标、深度信息等等）

片元着色器（像素着色器）：Fragment Shader（Pixel Shader） 基本功能： 对每一个单独的片元，填充纹理采样颜色等结果，渲染灯光，法线，深度等信息 （但注意：此时每个片元都是独立的，包括每个片元各种信息都是独立的，结果没有合并） 自定义编程功能： 最重要的着色器，我们会在这里写光照函数等计算纹理效果的算法

逐片元操作（合并输出）：Per-Fragment Operations（OutputMerger） 基本功能： 任务1：决定片元的可见性（通过模板测试、深度测试来决定） 任务2：混合片元（将相同类型的片元通过混合Blend的方式合成成各个通到） 任务3：将结果合并 并输出到颜色缓冲区（各种通道保存到Buffer）

模板测试：Stencil Test（模板缓冲 Stencil Buffer） 读取片元中的掩码值并和参考值做比较，如果小于则舍弃 （掩码值和窗口值可以由开发人员用函数指定） 作用：限制渲染区域、渲染阴影、轮廓渲染等

深度测试：Depth Test（深度缓冲 Depth Buffer） 测试物体离摄像机的距离，过远过近剔除， 作用：与半透明物体的渲染有关

混合：Blend 将片元合并到一个单独的通道，并输出到颜色缓冲Color buffer

帧缓存：Frame buffer

最后的结果都会保存到一个叫帧缓冲的地方 （即渲染完成后的各个通道） image.png

常见问题

剪裁问题

由于在CPU阶段会对视野范围外的物体做剔除，
此时如果使用顶点着色器（VertexShader）将物体平移到视野范围内，
由于已经被CPU剔除了所以也不会被渲染出来

剪裁顺序 CPU剔除 1、摄像机剔除：将视野范围外的物体做剔除（直接把整个物体删除） GPU剪裁 2、远近平面剪裁：离摄像机过远或过近的物体做剪裁（低消耗） 3、视野(视锥)剪裁：将视野范围外的物体做剪裁（相对中消耗） 4、遮挡剪裁：被遮挡的物体进行剪裁（相对高消耗）

解决方案：将摄像机剔除的范围扩大一点（太远的物体也是无效的）

置换问题

如果使用顶点着色器进行置换，即使进行了曲面细分，只能运行出没细分之前的效果。

在Shader编程过程中，需要遵守渲染流水线的运行顺序， 曲面细分着色器是在顶点着色器之后进行的，

解决办法：置换必须在曲面细分之后进行

前向渲染与延迟渲染 ForwardRending & Deferred Rending

（Unity中的渲染方式有好几种设置模式，之后再具体探究）
前向渲染：
特点：直接将场景内的物体全部都渲染出来
优点：能够渲染半透明、玻璃等材质
缺点：对性能消耗异常的搭
延迟渲染：
特点：先将物体剔除后，将视野中仅看得到的物体渲染出来
优点：消耗小
缺点：半透明物体，透明物体无法正常渲染
补救办法：渲染排序

Shader语言：HLSL、GLSL、CG

HLSL 【High-Level Shading Language】

依赖系统的语言
特点：由编译器翻译成对应GPU支持的机器语言
驱动：DirectX
平台：Windows、Xbox360等
缺点：被微软控制的着色器，编译器几乎只支持微软平台
优点：编译结果都一样

GLSL 【OpenGL Shading Language】

依赖硬件的语言
特点：在GPU内进行编译，翻译成自己所支持的机器语言
驱动：OpenGL
平台：NVIDA、AMD-ATI
缺点：由于不同厂商对GLSL编译方式不同导致结果不同，且需要显卡支持
优点：显卡支持就行，跨平台性好

CG 【C for Graphic】

跨平台语言
特点：由硬件商Nvida开发的语言
优点：跨平台
缺点：无法保持最新的OpenGL特性

CG/HLSL

由于这两种语言非常相似，几乎可以进行无缝迁移，
为了保证兼容性 Unity通常使用CG/HLSL进行编程

在Unity中选择Shader语言

Unity通过标记来确定用户使用的是那种Shader语言

标记是写在SubShader中，用来确定使用的Shader语言，一般Unity默认Cg/HLSL

⚠️注意：在vertex shader处理结束后，都是按照左手系计算的（ndc空间）
⚠️注意：DX与Opgl的Y轴相反，法线贴图的G通道也相反
⚠️注意：Unity中可以选择不同的Shader语言，但需要在不同的标签内

Cg：[Unity默认]

驱动：视平台而定 坐标系：左手坐标系 屏幕坐标系：image.png

  1. //Cg/Hlsh【DirectX】
  2. Shader "Unity/Hibari" 
  3. {
  4.     SubShader
  5.     {
  6.         pass
  7.         {
  8.             CGPROGRAM    //标签开始
  10.             ENDCG        //标签结束
  11.         }
  12.     }
  13. }

GLSL：

驱动：OpenGL 坐标系：右手坐标系 屏幕坐标系：image.png

  1. //GLSL【OpenGL】
  2. Shader "Unity/Hibari"
  3. {
  4.     SubShader
  5.     {
  6.         pass
  7.         {
  8.             GLSLPROGRAM    //OpenGL标签开始
  10.             ENDGLSL        //OpenGL标签结束
  11.         }
  12.     }
  13. }

HLSL：

驱动：DirectX 坐标系：左手坐标系 屏幕坐标系：image.png

  1. //HlsL【DirectX】
  2. Shader "Unity/Hibari" 
  3. {
  4.     SubShader
  5.     {
  6.         pass
  7.         {
  8.             HLSLPROGRAM    //DX标签开始
  10.             ENDHLSL        //DX标签结束
  11.         }
  12.     }
  13. }