《Unity Shader入门精要》笔记——渲染流水线

一个渲染流程分成三个阶段：应用阶段、几何阶段、光栅化阶段。

应用阶段

应用阶段通常由CPU负责，开发者可以完全控制该阶段。
该阶段主要有三个任务：

1. 准备好场景数据，例如摄像机位置、视锥体、所用模型、光源等；
2. 做粗粒度剔除（culling）工作，把不可见的物体剔除，提高渲染性能；
3. 设置好渲染状态，包括使用的材质、使用的纹理、使用的shader等。

该阶段最主要是输出渲染所需的几何信息，即渲染图元。
应用阶段可分为3个阶段：

1. 把数据加载到显存中（硬盘→内存→显存），加载的数据包括顶点位置信息、法线方向、顶点颜色、纹理坐标等。
2. 设置渲染状态，即设置用什么渲染，使用哪个顶点着色器、片元着色器、光源属性、材质等。
3. 调用Draw Call，即CPU发送给GPU的一个指令，命令GPU开始渲染一个需要被渲染的图元列表。

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GPU流水线

GPU渲染的过程就是GPU流水线。包括几何阶段和光栅化阶段。
几何阶段和光栅化阶段都可以分成更小的流水线阶段。每个阶段GPU提供了不同的可编程性和可配置性。

• 几何阶段包括：顶点着色器、（曲面细分着色器）、（几何着色器）、裁剪、屏幕映射。

• 光栅化阶段包括：三角形设置、三角形遍历、（片元着色器）、逐片元操作。
  GPU流水线的输入是顶点数据（包括顶点位置信息、顶点颜色等），输出是屏幕图像（颜色信息）。

• 顶点着色器：顶点着色器主要任务是坐标转换（对顶点的坐标进行某种变换）和逐顶点光照。完全可编程。

• 裁剪：将视野外的顶点去除，在视野的边界处形成新的顶点。不可编程。

• 屏幕映射：把图元的x、y坐标转换到屏幕坐标系下。对z坐标不做处理。不可编程。

• 三角形设置：计算光栅化三角网格所需的信息（三角形边界表示方法、边界像素坐标、整个三角网格对像素的覆盖情况），为下阶段做准备。

• 三角性遍历：使用上个阶段的计算结果，检查每个像素是否被一个三角网格覆盖，如果被覆盖，则会生成一个片元（fragment），每个片元的状态会根据三个顶点的信息进行插值得到。该阶段也称为扫描变换。最后输出一个片元序列。（片元不是真正意义上的像素，而是包含了诸多状态的集合，这些状态会用于计算最终像素的颜色）。

• 片元着色器：输入上一个阶段得到的片元信息，计算片元的输出颜色。

• 逐片元操作：通过测试，决定每个片元的可见性。如深度测试、模板测试。如果一个片元通过了所有测试，则把片元的颜色值与颜色缓冲区里的颜色进行混合。该阶段可配置。

Drag Call

含义：CPU调用图像编程接口。

使用命令缓冲区，使CPU和GPU可以并行工作。命令缓冲区中包含命令队列，CPU向其中添加命令，GPU则读取命令，二者相互独立。Drag Call是其中一种命令，其他命令还包括改变渲染状态（改变着色器、改变纹理等）的命令。CPU提交Drag Call前需要完成一些准备工作，如果Drag Call过多，CPU就需要话费大量时间在提交命令上。

为了减少Drag Call，可以使用批处理的方法。即把很多很小的DragCall合并成一个大的DragCall。但合并需要时间，因此批处理技术适合静态的物体。

在游戏开发中减少Drag Call主要有两点：

1. 避免使用大量很小的网格，不可避免使用时，考虑合并网格。
2. 避免使用过多的材质。