什么是Shader？它和Material(材質(zhì))的關(guān)系

Shader，中文翻譯：著色器，是可編程圖形管線的算法片段

Shader實際上就是一小段程序，它負(fù)責(zé)將輸入的頂點數(shù)據(jù)以指定的方式和輸入的貼圖或者顏色等組合起來，然后輸出。繪圖單元可以依據(jù)這個輸出來將圖像繪制到屏幕上。輸入的貼圖或者顏色等，加上對應(yīng)的Shader，以及對Shader的特定的參數(shù)設(shè)置，將這些內(nèi)容打包儲存在一起，得到的就是一個Material（材質(zhì)）。之后，我們便可以將材質(zhì)賦予三維物體來進(jìn)行渲染（輸出）了。

Material（材質(zhì)）包含Texture Mapping（貼圖），Texture Mapping（貼圖）包含紋理 Texture。紋理是最基本的數(shù)據(jù)輸入單位，游戲領(lǐng)域基本上都用的是位圖。此外還有程序化生成的紋理 Procedural Texture。貼圖的英語 Map 其實包含了另一層含義就是“映射”。其功能就是把紋理通過 UV 坐標(biāo)映射到3D 物體表面。貼圖包含了除了紋理以外其他很多信息，比方說 UV 坐標(biāo)、貼圖輸入輸出控制等等。

材質(zhì)是一個數(shù)據(jù)集，主要功能就是給渲染器提供數(shù)據(jù)和光照算法。貼圖就是其中數(shù)據(jù)的一部分，根據(jù)用途不同，貼圖也會被分成不同的類型，比方說 Diffuse Map，Specular Map，Normal Map 和 Gloss Map 等等。另外一個重要部分就是光照模型 Shader ，用以實現(xiàn)不同的渲染效果。

材質(zhì)好比引擎最終使用的商品，Shader好比是生產(chǎn)這種商品的加工方法，而貼圖就是原材料。

---

渲染流水線

渲染流水線的概念：渲染流程（Shader只是渲染流水線中的一個可編程算法片段）。主要就是將流程中各階段階段的輸出，輸入到下一階段進(jìn)行工作并輸出到下一階段。例如，片段著色器會將在頂點著色器內(nèi)進(jìn)行了坐標(biāo)變換的頂點數(shù)據(jù)輸入進(jìn)來拓展成多邊形

渲染流水線的工作任務(wù)在于由一個三維場景出發(fā)、生成（或者說渲染）一張二維圖像。換句話說，計算機(jī)需要從一系列的頂點數(shù)據(jù)、紋理等信息出發(fā)，把這些信息最終轉(zhuǎn)換成一張人眼可以看到的圖像。

《Real-Time Rendering,Third Edition》書中將整個渲染流程分成3個階段：應(yīng)用階段（Application Stage）、幾何階段（Geometry Stage）、光柵化階段（Rasterizer Stage）

應(yīng)用階段（Application Stage）：由應(yīng)用主導(dǎo)，通常由CPU負(fù)責(zé)實現(xiàn)

渲染流水線的起始點是CPU,即應(yīng)用階段。應(yīng)用階段大致可分為下面三個階段：

1、把數(shù)據(jù)加載到顯存中

2、設(shè)置渲染狀態(tài)

3、調(diào)用Draw Call

這一階段最重要的輸出是渲染所需的幾何信息，即渲染圖元（rendering primitives）

通俗來講， 渲染圖元可以是點、線、三角面等。這些渲染圖元將會被傳遞給下一個階段——幾何階段。

1、把數(shù)據(jù)加載到顯存中。（場景數(shù)據(jù)，粗粒度剔除......）

渲染所需的數(shù)據(jù)都要從硬盤加載到系統(tǒng)內(nèi)存，然后網(wǎng)格和紋理等數(shù)據(jù)又被加載到顯存。

2、設(shè)置渲染狀態(tài)

定義了場景中的網(wǎng)格是怎么被渲染的 (使用哪個shader ，材質(zhì)，光源屬性等)

3、調(diào)用Draw Call

Draw Call就是一個命令。他的發(fā)起方是CPU，接收方是GPU。

這個命令僅僅會指向一個需要被渲染的圖元列表，而且不會再包含任何材質(zhì)信息，上個階段已經(jīng)完成了。

給定一個Draw Call后GPU根據(jù)渲染狀態(tài)，如材質(zhì)紋理著色器等和所有輸入的頂點數(shù)據(jù)來進(jìn)行計算，最終輸出成屏幕上顯示的像素。

Draw Call這個概念在游戲中可以經(jīng)常聽到，它有很多別名，DP，批次，說的都是它，都是一會事情。在游戲中經(jīng)常出現(xiàn)批次很多的性能問題。

舉個例子：場景中有兩個桶，如果是分別導(dǎo)入的，就是兩個Draw Call。如果是合并之后導(dǎo)入的，就是一個Draw Call。

批次太多會導(dǎo)致CPU性能開銷過大，一般來說有兩種解決辦法。

（1）合批，就是把能合并的都合并起來，盡量減少Draw Call。（肯定有不能合并的，比如場景中的一個大樹和主角，還有好多渲染狀態(tài)啊透明啊之類的）

（2）instance，GPU硬件算法。使用與大量需要重復(fù)繪制的模型，比如草地。但是instance是有上限的，并且只能減少Draw Call，對于增加的面數(shù)來說是無解的。

幾何階段（Geometry Stage）：這一階段通常在GPU上進(jìn)行。

幾何階段處理所有和我們要繪制的幾何相關(guān)的事情。

例如決定需要繪制的圖元是什么，怎樣繪制它們，在哪里繪制他們。

幾何階段和每個渲染圖元打交道，進(jìn)行逐頂點、逐多邊形的操作。該階段可進(jìn)一步被分解為更小的流水線階段。

幾何階段的另一個重要的任務(wù)是把頂點坐標(biāo)變換道屏幕空間中，再交給光柵器進(jìn)行處理。

這一階段會將輸出屏幕空間的二維頂點坐標(biāo)、每個頂點對應(yīng)的深度值、著色等相關(guān)信息傳遞給下個階段。

頂點著色——>投影——>裁剪——>屏幕映射

·頂點著色

1、通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從模型空間轉(zhuǎn)換到齊次裁剪空間

首先頂點著色階段拿到的頂點坐標(biāo)數(shù)據(jù)都是位于模型空間的，要經(jīng)過模型轉(zhuǎn)換將這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到世界空間。接著為了方便后面的投影和裁剪，需要將坐標(biāo)數(shù)據(jù)從世界空間轉(zhuǎn)換到攝像機(jī)空間（攝像機(jī)位置為原點，x軸指向右方，y指向上方，z軸是背離攝像機(jī)朝向的方向），這稱為視圖轉(zhuǎn)換。

視點變換對相機(jī)和模型對影響

2、確定模型上頂點處材質(zhì)的光照效果。將模型頂點的位置變換到齊次裁剪坐標(biāo)系下，進(jìn)行輸出后再由硬件做透視排除法得到歸一化（NDC）的設(shè)備坐標(biāo)。

• 投影

主要使用兩種投影方法：正交投影、透視投影

正交投影（左），透視投影（右）

為了最大化控制性能消耗，需要將那些不在攝像機(jī)范圍內(nèi)或是被遮擋的物體裁剪掉，不被渲染。這一階段也是將模型從三維空間投影二維空間的過程。

模型空間——>攝像機(jī)空間——>歸一化坐標(biāo)——>0-1之外的部分裁減掉

• 屏幕映射

通過投影變換，將單位立方體內(nèi)的圖元映射出來

這一階段最主要是將三維坐標(biāo)系（x,y,z）下的每個幾何圖元坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到二維（x,y）屏幕空間。

又一個需要引起注意的地方是，OpenGL和DirectX的屏幕坐標(biāo)系之間存在著差異，OpenGL把屏幕的左下角當(dāng)成最小的窗口坐標(biāo)值，而DirectX則定義了屏幕的左上角位最小的窗口坐標(biāo)值。

光柵化階段（Rasterizer Stage）：這一階段在GPU上運(yùn)行

這一階段會使用上一階段傳遞的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生屏幕上的像素，然后渲染出最終的圖像。

光柵化階段的任務(wù)主要是決定每個渲染圖元中的那些像素應(yīng)該被繪制在屏幕上。

他需要對上階段的到的逐頂點數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，然后再進(jìn)行逐像素處理。

與幾何階段類似，光柵化階段又可以分為更小的流水線階段：三角形設(shè)置、三角形遍歷、片元著色器、逐片元操作

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的使用opengl编程实现一个三维渲染实体_Unity Shader学习随记_01_渲染流水线的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。