unity实时渲染部分

1.1 现代GPU渲染流水线

首先，图形渲染流水线以顶点数据作为开始，当GPU获取到CPU传递的顶点数据之后，整个图形渲染流水线正式开始运作

图形渲染流水线的第一个站点是顶点着色器（Vertex Shader），它允许使用者通过程序进行配置。在顶点着色器中，顶点坐标会从模型空间变换到裁剪空间。除此之外，这个阶段还可以通过Shader程序对顶点进行处理，以实现一些特殊的效果。

装配图元（Primitive Assembly）阶段将顶点着色器输出的顶点数据装配成指定的几何图元，基本图元包括：点、线、面。

光栅化（Rasterization）是将几何图元转变为片段（Fragment）的过程。屏幕上显示的图像都是由像素组成，而3D物体是由点、线、面这些基本图元组成的，要让几何图元能在屏幕上显示为像素就需要经过光栅化处理。该阶段包含两部分工作：

首先，确定屏幕坐标中的哪些整型栅格区域被基本图元占用。

其次，分配颜色值和深度值到各个区域。

片段在经过视锥体裁切之后就会被传递到片段着色器，它最主要目的是计算每一个像素的颜色，这个阶段也可以通过shader程序进行配置。在这个阶段中，片段着色器会计算光照、阴影、纹理等所有的颜色数据，最终计算出像素的颜色

当所有像素的颜色都确定下来以后，会进入到测试（Test）和混合（Blending）阶段。在这个阶段会检测所有像素的深度值，将当前片段的深度值与深度缓存中的数值对比，从而判断这个像素的前面是否有物体对它进行遮挡，进而决定这个像素是否应该被丢弃。

通过测试的像素会与已经绘制好的图像进行混合，从而得到最终的颜色。

帧缓存（Frame Buffer）是图形渲染流水线的最后一个“站点”，帧缓存中存储着用于渲染到屏幕上的像素，等待下一步输出到屏幕上

1.2 什么是shader

shader，着色器。它是通过编写代码实现的，因此本质上也是程序。只不过shader程序和一般程序不一样，它并不是运行在CPU上，而是运行在GPU上，其目的是告诉GPU如何计算和输出图像。

shader所处的阶段只是渲染管线中的一部分，它主要是由顶点着色器（Vertex Shader）和片段着色器（Fragment Shader）组成

编写shader的语言主要有两种：

基于Direct 3D的HLSL，由微软开发，在自家Windows平台兼容性良好，因此成为游戏开发的首选

基于OpenGL的GLSL，具有良好的移植性，可以在不同平台上使用

NIVIDIA希望显卡的程序开发独立于DX和GL的图形库，于是联合微软开发了CG语言，和HLSL愈发极为相似。使用CG编写的Shader拥有跨平台性，因此CG语言是编写Unity Shader的首选语言。

1.3 Shader和材质的关系与区别

shader实际上是一段程序，它负责把输入的顶点数据按照代码里指定的方式进行处理，并对输入的颜色或贴图等进行计算，然后输出数据。图像绘制单元获取到输出的数据便可将图像绘制出来，最终呈现在屏幕上。

Shader程序代码加上开放的参数设置以及关联的贴图等资源，为实现某种效果而打包储存在一起，最终得到的就是材质（material）。材质是shader的实例化资源，一个shader可以实例化为多个材质，并调节为不同的材质效果。最后把材质指定给某个模型就可以渲染初出应的效果。

1.4 Shader的组织架构

shader实际上是一段程序。

无论选择任何语言编写Shader，无论编写的shader是何种类型，Unityshader总是通过ShaderLab语言进行包装并组织结构。通常情况下，Shader的大致结构如下所示：

shader "Name"
{
Properties
{
//开放到材质面板的属性
}
Subshader
{
//顶点片段着色器
//或者表面着色器、固定函数着色器（基本没了）
}
Subshader
{
//更加精简的版本；在旧图形设备上运行
}
……
Fallback "Name"
}

首先，最开始定义的是Shader的名称，然后定义开放出来的所有属性，接下来是真正的Shader代码。Shader中可以编写多个子着色器（Subshader），但至少需要一个。在应用程序运行过程中，GPU会先检测第一个子着色器能否正常运行，如果不能正常运行就会再检测第二个以此类推。假如当前GPU的硬件版本太旧，以至于所有的子着色器都无法正常运行时，则执行最后的回退（Fallback）命令，运行指定的一个基础着色器。

如果编写的是顶点片段着色器，每个子着色器中还会含有一个甚至多个Pass。在运行的过程中，如果某个子着色器能够在当前GPU上运行，那么该子着色器内的所有Pass会依次执行，每个Passde的输出的结果会以指定的方式与上一步的结果进行混合，最终输出。

如果编写的是表面着色器（Surface Shader），着色器的代码也是包含在子着色器中，但与定点片段着色器不同的是，表面着色器不会再嵌套Pass。系统在编译表面着色器的时候会自动生成多个对应的Pass，最终编译出来的shader本质就是顶点片段着色器。