Unity Shader 之 渲染流水线

　　Shader既着色器，与其相关的就是渲染流水线，Shader不过是其中得可编程部分。

渲染流水线

　　分为3个阶段：应用阶段、几何阶段、光栅化阶段。

应用阶段

　　由CPU负责实现，开发者有这个阶段的绝对控制权。这个阶段最重要的作用是输出渲染所需的几何信息，即渲染图元（点、线、三角面等）。

几何阶段

　　处理所有和我们要绘制的几何相关的事情。这个阶段的重要作用是把顶点坐标变换到屏幕空间中，再交给光栅器进行处理。将会输出屏幕坐标的二维顶点坐标、每个顶点对应的深度值、着色等相关信息。

　　分为：顶点着色器、曲面细分着色器、几何着色器、裁剪、屏幕映射。

　　顶点着色器

　　　　输入：CPU

　　　　处理：顶点

　　　　主要工作：坐标变换和逐顶点光照

　　　　坐标变换：把顶点坐标从模型空间转换到齐次剪裁空间。最终得到归一化的设备坐标（NDC）。注：OpenGL的NDC的z分量范围在[-1,1]，DirectX中，NDC的z分量范围是[0,1]

　　裁剪

　　　　目的：不在摄像机范围内的物体不需要被处理

　　　　图元与摄像机视野的关系：完全在视野内、部分在视野内、完全在视野外。

　　　　　　完全在视野内：保留

　　　　　　完全在视野外：裁剪

　　　　　　部分在视野内：视野外的顶点用新的顶点来代替，新的顶点位于这条线段和视野边界的交点处。

　　屏幕映射

　　　　任务：将每个图元的x和y坐标转换到屏幕坐标系下

　　　　原z坐标：屏幕坐标系和z坐标系一起构成了一个坐标系，叫窗口坐标系

　　　　屏幕坐标系：OpenGL把屏幕的左下角当成最小的窗口坐标值，而DirectX则为屏幕左上角。

光栅化阶段

　　使用上一阶段的数据来产生屏幕上的像素，并最终渲染出最终的图像。GPU上运行

　　分为：三角形设置、三角形遍历、片元着色器、逐片元操作

　　三角形设置

　　　　目标：计算每个图元覆盖了哪些像素，以及为这项像素计算他们的颜色。

　　三角形遍历

　　　　作用：检查每个像素是否被一个三角网络所覆盖。如果覆盖的话，就生成一个片元，也成为扫描变换。

　　　　使用三角形网络3个顶点的顶点信息对整个覆盖区域的像素进行差值。

　　　　结果：得到一个片元序列。

　　片元着色器（像素着色器DirectX）

　　　　输入：顶点着色器中顶点信息差值得到的结果。

　　　　输出：一个或多个颜色值。

　　　　作用：纹理采样（在顶点着色器中输出每个顶点对应的纹理坐标，然后进行差值得到纹理坐标）

　　逐片元操作（输出合并阶段DirectX）

　　　　任务：1.决定每个片元的可见性（深度测试、模板测试等）

　　　　　　　2.通过了测试后，片元的颜色值和已经存储在颜色缓冲区的颜色进行合并，或者混合。

　　　　片元 —> 模板测试 —> 深度测试 —> 混合 —> 颜色缓冲区

　　　　深度测试一般用于剔除太远的不可见片元，或者帮助剔除被遮挡的片元。

　　　　Blend（混合），开启后会把当前计算的颜色与颜色缓冲区里的颜色进行混合（透明物体），关闭后则会直接覆盖（非透明物体）。

最后几个问题

　　什么是 Draw Call ？

　　答：Draw Call本身的含义是CPU调用图像编程接口。

　　CPU 和 GPU是如何实现并行工作的 ？

　　答：命令缓冲区，由CPU向其中添加命令，GUP从中取命令，添加与读取相互独立（队列），Draw Call只是其中一种命令。

　　为什么 Draw Call 多了会影响帧率 ？

　　答：每次调用Draw Call之前，CPU需要发送很多内容给GPU，如数据、状态、和命令等。所以CPU需要做很多工作，如检查渲染状态等。而GPU渲染能力强，渲染200和渲染2000个三角形网格通常没有什么区别，所以GPU的处理速度就会快过CPU提交命令的速度。如果Draw Call过多，CPU会把大量时间花费在提交Draw Call上，造成CPU过载。