Shader渲染流水线

GPU流水线上可高度编程的阶段，包括表面着色器、顶点片元着色器、固定管线着色器。目前的Unity5中，本质上只有顶点片元着色器

关于渲染流水线：

主要任务：从一个三维场景，渲染出一张二维图像，主要由CPU & GPU协作完成。
渲染流程三个阶段：应用阶段 | 几何阶段 | 光栅化阶段

渲染流程

应用阶段：根据三维场景输出渲染所需要的几何信息（图元：点、线、三角面等）

三个步骤：

1）数据加载到显存。

2）设置渲染状态（使用哪个着色函数、光源属性等）。

3）调用Draw Call（CPU向GPU发起渲染指令）

几何阶段：主要任务是把几何顶点坐标转换到屏幕空间中，然后交个光栅器处理
光栅化阶段：使用上阶段的数据产生屏幕像素，渲染成像。

两个主要任务：

计算每个图元覆盖了哪些像素
计算这些像素颜色

Draw Call（GPU流水线）：【几何阶段 & 光栅化阶段】

GPU的渲染流水线实现。颜色表示了不同阶段的可配置性或可编程性：绿色表示该流水线阶段是完全可编程控制的，黄色表示该流水线阶段可以配置但不是可编程的，蓝色表示该流水线阶段是由GPU固定实现的，开发者没有任何控制权。实线表示该shader必须由开发者编程实现，虚线表示该Shader是可选的

顶点着色器：主要实现顶点空间变换（坐标变换）、可实现定点着色（光照计算）等，基本任务把顶点位置坐标从模型空间转换到裁剪空间
曲面细分着色器：可选，细分图元，需要显卡支持。使模型看起来更细腻
裁剪：不在摄像机视野内的物体在此阶段被裁剪掉
屏幕映射：坐标转换（三维->二维），但需要记录下坐标深度、法线方向、视角方向等，跟用于显示的屏幕分辨率有关。
三角形设置：计算三角网格表示数据的过程，为计算三角面覆盖的像素准备数据
三角形遍历：检查每个像素是否被一个三角网格覆盖并生成图元。输出片元序列
片元着色器：输入，顶点着色器输出数据的插值。输出，一个或多个颜色值。纹理采样
逐片元操作：片元–>模板测试–>深度测试–>混合–>颜色缓冲

OpenGL & DirectX ：图像应用编程接口，用于渲染二维、三维图像。位于上层应用和GPU之间，应用程序通过这些编程接口发送渲染指令，由图像应用编程接口向显卡发送渲染指令

着色器语言：

1）Direct X的HLSL（High Level Shading Language）

2）OpenGL的GLSL

3）NVIDIA的CG

4）Unity使用的是ShaderLab

重要的数学基础：

1）矢量点积

几何意义：投影

几何意义

a * b = |a| * |b| * cosQ b在a上的投影

2）矢量叉积

几何意义：a X b得到同时垂直于a&b的新矢量

用途：计算垂直于一个平面、三角形的矢量。判断三角面的朝向

3）矩阵

几何意义：坐标变换（平移、缩放、旋转等，分别对应一变换矩阵）

用途：坐标空间变换

4）坐标空间

ShaderLab语法

基本结构：

Shader "Custom Shaders/Simple Shader" {
    Properties {
         // 声明一个材质面板上的颜色拾取器
	_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
    }
    SubShader {
        Pass {
            // CG代码开始
            CGPROGRAM
            // 声明顶点着色函数
            #pragma vertex vert
            // 声明片元着色函数
            #pragma fragment frag
            // 在CG程序中需要声明一个属性名称和类型都匹配的变量
            uniform fixed4 _Color;
	        struct a2v {
                // POSITION语义告诉Unity，用模型的顶点坐标填充vertex参数
                float4 vertex : POSITION;
                // NORMAL语义告诉Unity，用模型空间的法线方向填充normal参数
		float3 normal : NORMAL;
                // TEXCOORD0语义，告诉unity，用模型的第一套纹理坐标填充texcoord参数
		float4 texcoord : TEXCOORD0;
            };
            
            // 使用v2f结构体定义顶点着色器的输出
            struct v2f {
                // SV_POSITION语义告诉Unity，pos里包含了顶点在裁剪空间中的位置
                float4 pos : SV_POSITION;
                // COLOR0语义，用于存储颜色信息
                fixed3 color : COLOR0;
            };
            
            v2f vert(a2v v) {
                // 声明输出结构
            	v2f o;
            	o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
                // v.normal保存了顶点的法线方向，分量范围[-1.0, 1.0],先将其映射到[0.0, 1.0],存到o.color传递给片元着色器
            	o.color = v.normal * 0.5 + fixed3(0.5, 0.5, 0.5);
                return o;
            }
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {// SV_Target告诉渲染器，把用户的输出颜色存储到一个渲染目标中
            	fixed3 c = i.color;
            	c *= _Color.rgb;
                // 将插值后的值显示到屏幕上
                return fixed4(c, 1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

CG中的语义：

基本光照&光照模型：

环境光：通常是一个全局变量
自发光：
漫反射（兰伯特光照模型）：
高光（镜面）反射（Phong光照模型）：

光照模型：

Lambert模型：用来描述漫反射

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计算公式：Cdiffuse = (Clight  * Mdiffuse ) Max(0, n * I)

n：表面法线；I：指向光源的单位矢量；Mdiffuse：材质的漫反射颜色；Clight：光源颜色

Phong模型：模拟高光，可让物体表现出光斑
计算公式：

1	mgloss：是材质光泽度，mspecular：材质的高光反射颜色，Clight：光源颜色，v：视角方向，r：反射方向

Blinn-Phong模型：基本原理同Phone，提高了运算效率；目前游戏上较流行的模型
PBR：基于物理的渲染；使用BRDF（双向反射率分布方程）：主要描述了光线作用到物体表面后的反射（高光反射Specular）和散射（漫反射Diffuse）

光照计算：

1）逐像素光照：

以每个像素为基础，得到他们的法线（对顶点法线插值得到，或从法线纹理采样得到），然后进行光照计算。

2）逐顶点光照

在每个顶点上计算光照，然后在渲染图元内部进行线型插值，最后输出成像素颜色。

由于顶点数目往往小于像素数目，所以逐顶点光照计算量少些

纹理：

漫反射纹理（漫反射贴图）
凹凸纹理（法线贴图、Heightmap）
渐变纹理

透明效果：

两种实现方式：1）透明度测试 2）透明度混合

透明度测试：不能实现真正的半透明，不需要关闭深度写入，实际上是根据透明度舍弃一些图元，所以他实现的效果要么完全透明，要么不透明。
透明度混合：可以实现真正的半透明，使用当前片元的透明度作为混合因子，与颜色缓存区中的颜色进行混合，得到新的颜色存入颜色缓存区中。需要关闭深度写入，深度缓存是只读的。
透明度混合方式关闭深度写入的原因：深度缓存区的剔除机制。

渲染顺序问题：

从距离摄像机由远及近依次渲染。

不考虑透明物体的情况下，unity使用深度缓冲区（z-buffer）的方式，使我们不用关心场景中物体的渲染顺序。

z-buffer基本思想：根据深度缓冲中的值判断该图片距离摄像机的距离，当渲染一个图元时，需要把他的深度值跟已经存到z-buffer中的值比较，如果距离摄像机更近，则这个片元覆盖掉z-buffer中的值，深度值写入z-buffer中。

Unity Shader的渲染顺序：

采用渲染队列的方式解决：

// 透明度测试
SubShader {
	Tags {"Queue": "AlphaTest"}
	Pass {
		...
	}
}
// 透明度混合
SubShader {
	Tags {"Queue": "Transparent"}
	Pass {
		ZWrite Off
		...
	}
}

Unity 渲染路径

Unity Standard Sharder

1、Rendering Mode

Rendering Mode：在非透明和多种透明效果之间切换。

Opaque：默认，实体渲染。

Cutout：Alpha test，通过贴图的Alpha值缕空模型表面。

Transparent：透明效果，如玻璃，半透明塑料等等。

Fade：在这个模式下，一个对象可以实现淡入淡出效果。

参考：https://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterRenderingMode.html

2、Albedo

Albedo是一个只拥有颜色信息的“平面”贴图，即不带任何AO，SHADOW等光影信息。是物体的Base Color颜色值。

3、Metallic & Specluar & Smoothness

Specular通过直接赋与颜色的方式来决定高光反射强度。Metallic则通过一个0~1的值，来决定金属的反射强度。

不管是在metallic还是Specular模式下，一但使用了贴图来决定高光反射效果。引擎将会采用贴图中的值，设置的Metallic因子，或者Specular Color均会无效。

Smoothness则决定了一个物体的光滑呈度。即使一个物体表面高光很强烈。若它是一个不光滑的物体，那么其反射会呈不规则的方向分布，光会分散到不同的地方。那么到达人眼中的反射光就会少。整体的反射效果就会变得很弱。（注：当Metallic或者Specular被赋与贴图后。Smoothness值会失效。转而采用Matallic或者Specular贴中的Alpha通道作为Smoothness值。）

4、Normal Map

Normal Map是Bump Mapping的一种特例化。它主要是通过贴图为光照计算时提供更细节的法线信息。使物体表面具有高度的细节效果。如下图所示

5、Heightmap

Heightmap比NormalMap更上一层楼，NormalMap是通过赋与物体表面更多的法线信息，来造成光照上的细节增强。 Normal Map有一个缺点就是，当视线与表面平行时，就失去法线效果。而Heightmap则直接对某些顶点进行位移。由此也可以看出来，Heightmap的效率开销会比Normalmap高，要更据情况选择使用。

高度图是一张灰度图，白色表示突出，黑色表示凹陷。