渲染流水线概念和阶段

2024-03-11 17:03:37

渲染流水线从概念部分分为三个部分：

应用阶段
应用阶段为开发者完全控制部分，主要提供渲染所需要的渲染数据，输出为渲染图元，该阶段可以细分为：

加载渲染数据（HDD-->RAM-->VRAM）
设置渲染状态（决定场景中的网格（图元）以怎样的方式渲染，使用什么着色器，光照，材质）
调用DrawCall命令（指定需要渲染的图元列表，发起方为CPU，接收方为GPU）

几何阶段
几何阶段的部分过程可以由开发者控制和配置，几何阶段主要将接收到的图元信息进行逐顶点，逐多边形操作，将顶点坐标变换到屏幕空间，同时记录顶点的光照，深度，着色信息。该阶段可以细分为：

顶点着色器（该阶段可编程阶段，将顶点坐标从模型空间转换到齐次裁剪空间，顶点着色，纹理坐标输出也在该过程完成）
曲面细分着色器（可选着色器，细分图元）
几何着色器（可选着色器，进行逐图元操作，或者被用于产生更多图元）
裁剪（将不在摄像机视野中的顶点裁剪掉）
屏幕映射（将图元的顶点转换到屏幕空间坐标系，该过程不可编程或配置）

光栅化阶段
该阶段接收上一阶段的顶点信息，并对顶点所围成的网格覆盖的像素进行逐像素的处理，输出最终的渲染图像，该过程可以细分为：

三角形设置（该阶段将得到的顶点进行计算，得到顶点围成的三角网格的边上的像素坐标）
三角形遍历（根据上一步的计算结果，判断哪些像素点在网格内，并对覆盖的像素点进行插值，这里由于每个像素点上除了颜色信息，还包括光照，深度，纹理坐标等信息，将带有信息的像素点成为片元，这一过程的输出为片元序列）
片元着色器（该阶段为可编程着色阶段，输入为上一阶段的顶点信息的插值结果，许多较为重要的渲染技术在该阶段完成，如纹理采样，该阶段若要进行纹理采样，那么在顶点着色器阶段输出每个顶点对应的纹理坐标）
逐片元操作（该过程为渲染流水线的最后阶段，也被称作合并输出阶段，主要是对每个片元进行模板，深度测试，混合操作等，通过测试的可以选择是否与颜色缓冲区的颜色进行混合，从而决定片元的可见度以及最终的颜色）

对应流程图（书中截图）：

shader是渲染流水线中的一部分可高度编程的阶段，Unity中的Shader主要对几何阶段的顶点着色器和光栅化阶段的片元着色器进行编程操作。

Shader Lab

在Unity中，所有的Unity Shader都是使用ShaderLab来编写的。Shader Lab是Unity提供编写Unity Shader的一种说明性语言，使用嵌套在花括号内部的语义来描述Unity Shader文件的结构。
一个Unity Shader的基础结构：

Shader "ShaderName"{
		properties{
			//属性
		}
		SubShader{
			//显卡A使用的子着色器
		}
		SubShader{
			//显卡B使用的子着色器
		}
		FallBack "..."
	}

Unity Shader和通用的Shader不太一样，Unity在背后根据使用的平台将这些结构编译成正真意义上的Shader代码和文件，Unity开发者不必太关心底层的渲染，只用使用Unity Shader Lab即可。

Unity Shader结构及语义

Properties Properties语义块中包括一系列的属性（Property）, 这些属性会出现在材质面板中，Properties语义块定义：

	Properties{
		_name("display name",PropertyType)=DefaultValue
		_name("display name",PropertyType)=DefaultValue
		//更多属性
	}

属性的声明可以使我们很方便的在材质面板中看到这些属性，并对这些属性进行调节，display name是该属性在材质面板中的显示的名字，若要在后续的CG代码中使用这些属性，则是通过**_name**进行访问，每种属性在声明时，需要指定属性的类型，并给附上默认值。完整的属性及类型和默认值赋值方式为：

	Sahder "ShaderLabProperties"{
		Properties{
	_Int("Int",Int)=2
	_Float("Float",Float)=1.5
	_Range("Range",Range(0.0,5.0))=3.0
	//
	_Color("Color",Color)=(1,1,1,1)
	_Vector("Vector",Vector)=(2,3,6,1)
	//
	_2D("2D",2D)=""{}
	_Cube("Cube",Cube)="white"{}
	_3D("3D",3D)="black"{}
	}
}

值得注意的是，在Shader Lab的语义块中，每行语句结尾是没有；的，对于2D，3D，Cube这3种纹理类型，默认值的定义通过一个字符串后跟一对{}来完成，其中，字符串要么为空，要么为内置纹理名称，如"gray","red","bump"等。Properties语义块的作用只是将定义的属性显示到材质面板中，后续的Shader代码中若要访问这些属性，需要在CG代码片段中定义和这些属性相匹配的变量。

SubShader
每一个Unity Shader文件可以包含1个或多个SubShader 语义块，这是由于不同的显卡具有不同的渲染能力，多个 SubShader 对应着多个显卡，这样在不同能力的显卡上进行不同复杂度的渲染计算。
SubShader语义块通常结构如下：

	SubShader{
	//可选  
	[Tags]

	//可选
	[RenderSetup] 

	Pass{
	}
	//Other Pass
}

需要注意的地方：

SubShader包括一系列Pass,可选的Tags,可选的RenderSetup，每一个Pass为一次完整的渲染流程
Tags为可选的，可以在SubShader和Pass内声明，SubShader内声明的Tags是特定的
RenderSetup为可选的，可以在SubShader和Pass内声明，非特定的，即在SubShader和Pass内可通用
Tags和RenderSetup若在SubShader中进行了设置，会应用到所有的Pass中去

Tags是一个键值对，其结构为：

Tags{"TagsName1"="Value1" "TagsName2"="Value2"}

Pass语义块
Pass语义块为SubShader的一部分，语义结构如下：

	Pass{
	[Name]
	[Tags]
	[RenderSetup]
	//Other Code
	}

在Pass语义块中，可以定义该段Pass的名字，如：

	[FirstPass]

定义了Pass的名字后，可以通过

	UsePass "FirstShader/FIRSTPASS"

来使用其他Unity Shader的Pass，提高复用性。由于Unity Shader的内部会将所有的Pass的名称转换成大写形式，因此在使用UsePass时，使用大写的Pass名称。
Pass语义块中，可以设置Tags，与SubShader中的不同，Pass中可用的Tags有LightMode,RequireOptions
Pass语义块中，可以设置RenderSetup,与SubShader中的设置通用，应用于当前的Pass
Unity Shader支持一些特殊的Pass，以实现代码复用和更为复杂的功能，如：

**UsePass:**使用该命令复用其他Unity Shader的Pass
**GrabPass:**该Pass负责抓取屏幕将结果存储在一张纹理当中，用于后续Pass的处理

Fallback
在最后一个SubShader的语义块后面，有一个Fallback指令，如果所有的SubShader都不能被当前显卡运行，那就使用Fallback指定的Shader，如：

	Fallback "VertexLit"

在Unity Shader中，真正意义上的Shader代码都会写在SubShader语义块中：

	Shader "FirstShader"{
	Properties{
	//所需各种属性
	}
	SubShader{
	//真正意义上的Shader代码会写在这部分中
	//表面着色器(Surface Shader)或者
	//顶点/片元着色器（Vertex/Fragment Shader）或者
	//固定函数着色器(Fixed Function Shader)
	}
	SubShader{
	}
	}

码农公寓

Shader Lab

Unity Shader结构及语义

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