Unity中Shader基础之计算机渲染管道
发表于2018-07-19
在了解Shader之前，我们先了解下计算机中的渲染管道，渲染管线也称为渲染流水线，是显示芯片内部处理图形信号相互独立的并行处理单元。Unity中shader它的作用可以先简单理解为给屏幕上的物体画上颜色。那么计算机中什么东西负责给屏幕上画颜色？答案是GPU。所谓GPU的渲染管线，其实可以把它理解为一个流程，就是我们告诉GPU一堆数据，最后得出来一副二维图像，而这些数据就包括了”视点、三维物体、光源、照明模型、纹理”等元素。在 很多计算机图形学的书籍都把渲染管线主要分为三个阶段：应用程序阶段、几何阶段、光栅阶段。
1、应用程序阶段（CPU）
应用程序阶段，通过高级编程语言（C、C++、JAVA）进行开发，与CPU、内存打交道，主要任务是识别出潜在可视的网格实例，并把它们及其材质呈交给图形硬件以供渲染。在该阶段的末端将产生几何体数据，包括顶点坐标、法向量、纹理坐标、纹理等，通过数据总线传送到图形硬件以供渲染（时间瓶颈），进行几何阶段。比如我们在Unity里开发了一个游戏，其实很多底层的东西Unity都帮我们实现好了，例如碰撞检测、视锥剪裁等等，这个阶段主要是和CPU、内存打交道，在把该计算的都计算完以后，在这个阶段的末端，这些计算好的数据（顶点坐标、法向量、纹理坐标、纹理）就会通过数据总线传给图形硬件，作为我们进一步处理的源数据。
2、几何阶段（GPU）
几何阶段主要负责顶点坐标变换、光照、裁剪、投影以及屏幕映射，该阶段基于GPU进行计算，该阶段的末尾得到经过变换和投影之后的顶点坐标、颜色、 以及纹理坐标。其主要工作可以概括为“变换三维顶点坐标”和“光照计算”。我们的显卡信息中通常会有一个标示为“T&L”的硬件部分，T即是Transform,L即是Lighting。那么三维顶点坐标为什么需要变换？如何变换？要知道，我们出入到计算机中的是一系列三维坐标点，但我们最终看到的从视点出发观察到的特定点。我们电脑显示器是二维的，GPU所需要做的，就是把三维顶点数据经过转换绘制到二维屏幕上，并让二维画面看起来有3D效果。
根据顶点坐标变换的顺序，主要有如下几个坐标空间：局部坐标系（或称自身坐标系、建模坐标系）、世界坐标系、观察坐标系、视口坐标系（屏幕坐标系）
局部坐标系
局部坐标系用于定义构成物体的三角形单元列表的坐标，它描述的是模型文件本身的顶点与顶点值之间的关系，顶点值是在模型建模时得到的。局部坐标系与场景中的其他物体没有任何的参照关系，这也是局部坐标系与世界坐标系区分的关键
世界坐标
构建各种模型时，每个模型都位于其自身的局部坐标系中，而无论在现实世界还是在计算机的虚拟空间中，物体都必须和一个固定的坐标原点进行参照才能够确定自己所在的位置，这是世界坐标系的实际意义所在。位于局部坐标系中的物体通过一个称为世界变换的运算过程变换到世界坐标系中，该变换通常包括平移、旋转、以及比例运算，分别用于设定该物体中世界坐标系中的位置、方向及模型的大小。这变换过程由一个四阶矩阵控制，通常称为世界矩阵（world matrix）。
观察坐标系
在现实世界中，每个人都是通过自己的眼睛来观察世界，同样的，在虚拟世界中，虚拟摄像机就是我们的“眼睛”，计算机每次只能从唯一的视角出发来渲染物体。例如当我们玩CS游戏时，屏幕显示的内容随着视点的变化而变化，这是因为GPU将物体的坐标从世界坐标系变换到了观察坐标系。实际上所谓的观察坐标系，也就是我们在上文中提到的摄像机的视锥体，它以摄像机为原点，由摄像机观察方向、视角、远近裁剪平面，共同构成一个梯形体的三维空间近裁剪平面也即是梯形体较小的矩形面，在Directx中，为了简化绘制工作，通常将近裁剪平面和投影平面合二为一。在观察者坐标系中，我们的任务是获取3D场景的2D表示，这种从N维到N-1维的操作在数学上称为投影，实现投影有多种方式，如正投影（也称平行投影）和透视投影。由于透视投影更加符合人类的视觉习惯，它会产生近大远小的效果，所以我们采用这种投影来执行视锥中的3维数据到投影平面的投影。Directx中通过一个称为投影矩阵来将视域体中的几何体投影到投影窗口中。
视口坐标系（屏幕坐标系）
从视点坐标系到视口坐标系的转换是通过视口变换操作来进行的。视口变换的任务是将顶点坐标从投影平面转换到屏幕的一个矩形区域中，该区域称为视口。在游戏中，视口通常是整个矩形屏幕区域，当然也可以将视口描述为屏幕的一个子区域，视口的坐标是相对于窗口来描述的，经过一系列坐标的转换，我们输入计算机的一系列三维坐标点已经转换为2D屏幕的三维显示数据。
图元装配
几何阶段处理结束后，送到光栅化阶段的是一堆三角形面片，所以中几何阶段中需要对顶点进行图元装配。所谓的图元装配，即根据顶点原始的连接关系，还原出模型的网格结构。网格由顶点和索引组成，在之前的流水线中是对顶点的处理，而在这阶段是根据索引将顶点连接中一起，组成线、面单元。然后对超出视口外的三角形进行裁剪（视口裁剪），如果有一个三角形其中一个顶点位于画面外，另外两个顶点位于画面内，我们看到的将是一个四边形，而这个四边形又被划分为两个小的三角形。
这里提到了视口裁剪，实际上裁剪是个很大的概念，裁剪包括了视域裁剪（应用程序阶段）、视口裁剪、背面剔除、遮挡剔除（光栅化阶段）。背面剔除涉及到三角形的顶点绕序问题。每个多边形都有两个侧面，我们将其中一个标记为正面，另一个侧面标记为背面，通常，多边形的背面是不可见的，通过背面剔除操作可以不对物体的背面进行渲染，减少需要绘制的顶点个数。一般来说我们根据右手定则来决定三角形的法向量，如果法向量朝向视点（三角形顶点顺时针绕序）即为正面，反之为背面。在Directx3D中，默认顶点排列顺序为顺时针的三角形单元是正面朝向。但也可以通过SetRenderState方法来修改剔除方式。
3、光栅化阶段
管道的最终阶段为合并阶段或混合阶段，NVIDIA称之为光栅运算阶段。这个阶段把几何阶段送过来的三角形转化为片段，并对片段进行着色。片段经过深度测试、alpha测试、模板测试等多种测试后，最终和帧缓冲混合。
光栅化的目的是计算出每个像素的颜色值，pixel operation 是在更新帧缓存之前执行的最后一系列对每个片段的操作。Pixel operation 包括了一下内容：
深度测试，消除遮挡面
当两个物体有前后位置关系时，位于前面的物体会将后面的物体部分或全部遮挡。这时为了优化考虑GPU不应该绘制被遮挡的片段，这种行为称为遮挡剔除。为了更好了解遮挡剔除与深度测试，我们先来看看深度缓存。
深度缓存：深度缓存是一个只含有特定像素的深度信息而不含图像数据的表面。深度缓存为最终绘制图像中的每一个像素都保留了一个深度项。所以，当所绘制的图形的分辨率为640*480时，，深度缓存中将有640*480个深度项。深度缓存用于计算每个像素的深度值并进行深度测试，深度测试的基本内容是依据深度值让处于同一位置的不同像素进行竞争，以选出该写入该位置的像素，距离摄像机最近的像素获胜，并被写入深入缓存的对应位置上。这样做是合理的，因为距离摄像机最近的像素一定会将位于其后方的像素遮挡。
纹理操作：也就是根据像素的纹理坐标，查询对应的纹理值。
混色（融合）
融合技术能使我们将当前要进行的光栅化的像素的颜色与先前已经光栅化并处于同一位置的像素的颜色进行合成，即将正在处理的图元颜色值与存储中后台缓存中的像素颜色值进行合成。利用该技术，我们可以获得各种各样的效果，尤其是透明效果。不过值得注意的是，为了中场景中绘制透明物体，通常需要对物体按照由后到前的顺序进行混合处理，如果按照任意顺序进行处理将会产生严重的失真。所以在blending（混色）操作之前要来一次Depth test（见下图）。滤波或滤镜（Filtering）：将正在计算的颜色经过某种滤镜后输出，可以理解为经过一中数学运算后变成新的颜色值。
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